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一组物理学家完成了可能是有史以来第一次发现轴子的实验。

轴子是未经证实的、假设的超轻粒子，它们来自描述亚原子粒子行为的粒子物理标准模型。理论物理学家在20世纪70年代首次提出轴子的存在，是为了解决控制强力的数学问题，这种力将称为夸克的粒子束缚在一起。但是轴子已经成为暗物质的一种流行的解释，暗物质占宇宙质量的85%，却不发光。

如果得到证实，现在还不确定这些轴子是否会修复强大力量中的不对称。东京大学（University of Tokyo）的物理学家Kai Martens说，他们无法解释宇宙中大部分缺失的质量。这些看起来像是从太阳中流出的轴子，其行为不像物理学家认为的充满在星系周围光环中的“冷暗物质”。它们是新发现的太阳内部的粒子，而在那里的大部分冷暗物质似乎自早期宇宙以来存在了数十亿年之久*

也不确定轴子是否被探测到。尽管收集了两年的数据，但与物理学宣布发现新粒子所需的信息相比，信号的迹象仍然很微弱。随着时间的推移，随着更多数据的到来，马滕斯告诉《Live Science》杂志，信号的证据仍然有可能消失得一文不值。

格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）洞穴般的内部景观，这是位于意大利中部的一个地下设施，内有氙气合作组织（Xenon Collaboration）的暗物质探测器和许多其他实验。

 

不过，看起来确实有信号。它是在一个装有3.5吨（3.2公吨）液态氙的黑暗地下储罐里发现的，这个实验是在意大利格兰萨索国家实验室进行的。至少还有两种物理效应可以解释氙的数据。然而，研究人员测试了几种理论，发现从太阳流出的轴子最有可能解释其结果。

截至美国东部时间今天（2020年6月17日）上午10点，没有参与实验的物理学家们还没有审阅这些数据。在公布之前，记者们并没有得到有关发现新粒子的数据。

《Live Science》与两位axion专家分享了氙气合作的新闻稿。

新罕布什尔大学（University of New Hampshire）的物理学家钱达•普雷斯科特•温斯坦（Chanda Prescod Weinstein）在一封电子邮件中对《Live Science》说：“如果这一点得到证实，这将是自发现宇宙加速以来在物理学领域最大的改变游戏规则的因素。”

（1998年宇宙加速的发现表明，不仅宇宙在膨胀，而且膨胀的速度越来越快。）

氙气合作组织（XENON collaboration）在黑暗、绝缘的氙气罐中观察微小的闪光，其中在2016年至2018年间进行的（XENON1T），是迄今为止最大的一个实验。

 

 

氙气罐被屏蔽在地下不受大多数辐射源的影响，只有极少数的粒子（包括暗物质）可以进入罐中并与罐内液氙中的原子发生碰撞，从而激发这些闪光。大多数闪光很容易解释，这是物理学家已经知道的粒子相互作用的结果。尽管罐子处于的地下屏蔽层，各种各样的粒子还是会进入罐中激发闪光，很多已知的粒子可以解释氙气探测器中所看到的大部分闪光。氙气研究人员寻找“过剩”的闪光，比你根据已知的粒子物理学所预测的闪光要更多，这可能意味着新粒子的存在。

这是氙气探测器第一次实际探测到过剩，一个在低能范围内活动的峰值，这与物理学家推测太阳轴子确实存在的预期相符。

到目前为止，氙的结果已经部分排除了另一种暗物质候选，即“弱相互作用大质量粒子”（WIMPS）。它没有检测到大多数WIMP产生的足够能量水平的闪光来支持它们的存在，实际上排除了大多数可能的WIMP变种。但是实验还没有发现任何新粒子的证据。

俄勒冈大学物理学家Tien Tien Yu也没有参与氙气实验，她说：“尽管WIMP多年来一直是DM（暗物质）的主导范式，但轴子的存在时间也差不多，近年来寻找轴子的实验激增。”

因此，如果轴子探测能与暗物质研究的最新进展（包括更古老的氙气数据）相吻合，这将使得一度流行的WIMP看起来希望渺茫。

然而，Yu告诉《Live Science》杂志，它本身并不能令人信服。

她说：“如果这是真的，那将是令人兴奋的，但我对此表示怀疑，因为可能有一些以前未经考虑的粒子来源。”。（她补充道，在没有看到数据的情况下很难评估数据。）

例如，一些放射源可能以模拟太阳轴子与液态氙相互作用的模式，被氙的探测器探测到。

Yu指出，此前有未经证实的关于发现暗物质粒子的说法。氙气发现的“太阳轴子”似乎并不代表真正的冷暗物质，因为冷暗物质可能起源于早期宇宙，是“冷的”，而不是太阳产生的热轴子。

（马滕斯说这是真的，但是太阳轴子是以前从未被探测到穿过宇宙的大质量粒子，其在许多方面仍然可被认为是暗物质。但他承认，他们无法解释宇宙中如此大的被无法探测的质量。）

氙气合作组织本身提出了三种可能的解释，来解释氙气罐内部低能量的“过剩”闪光。

其中，最符合他们看到的过剩闪光的，确实是太阳轴子。他们对这个假设有“3.5 sigma”的信心。

马滕斯说，这意味着这是随机背景辐射产生信号的概率约为万分之二，而不是太阳轴子产生的信号。通常，物理学家只有在结果达到5 sigma显著性时才宣布“发现”一个新粒子，当信号达到5 sigma时，意味着信号是由随机波动产生的几率为350万分之一，这样信号是由随机波动产生的几率就非常非常小。

他们考虑的其他可能性不那么令人信服，但仍然值得认真对待。

 

 

氙气中可能有未被发现的放射性氚（一种含有两个中子的氢）的痕迹，导致周围的液体闪光。马滕斯说，氙气团队从一开始就努力避免这种影响。不过，他说，这里所讨论的微量氚是不可能被完全剔除出来的。由于XENON1T设备现在已经被拆开，以建立一个更大的未来实验设备，所以已经不可能再回去检查了。

并没有参加氙气实验的宾夕法尼亚州维拉诺瓦大学的物理学家乔伊·尼尔森（Joey Neilsen）说，假设将氚的数据拟合到3.2 sigma的水平，这相当于随机波动产生信号的概率约为700分之1。

还有另一种可能，那就是来自太阳的已知的微弱中微子也流经地球，与磁场的相互作用比预期的更强烈，在液氙中产生了闪光。如果这是真的，根据氙气合作组织的声明，中微子可以解释他们看到的信号。他们写道，这一假设有3.2 sigma的可信度。

但Yu指出，即使中微子能解释氙的结果，粒子物理的标准模型也必须重新排列，以解释预期之外的中微子行为。

Yu说，还有一条线索，可以告诉我们是否应该认真对待太阳轴子假说，那就是数据随着季节的变化。

她说：“如果信号确实来自太阳轴子，人们会认为由于太阳与地球的相对位置变化，信号会受到变化。”

Yu说，随着我们的地球远离太阳，太阳轴子流应该会减弱。随着地球离太阳越来越近，信号应该会越来越强。

马滕斯说，氙探测器中捕获的信号没有季节性变化，信号太微弱了，而且实验进行了仅仅两年的时间，太短暂了，XENON1T设备无法识别这种变化。

物理学家们很可能会把XENON1T的结果作为近期的初步研究对象。研究小组说，即将进行的一项名为XENONnt的更大的氙气实验，仍在意大利建设中，一旦完成，将提供更清晰的数据。正在美国和中国建设的实验将进一步丰富现有数据。

马滕斯说，一个希望便是，当更灵敏的氙气探测器XENONnt完成其5年的运行后，数据季节变化能被监测到。他说，这将有力推动太阳轴子假说。然后所有的国际实验组织可能会集合他们的氙气来建造一个30吨重的探测器。也许这样就能详细研究这个信号了（如果它是真的），或者探测其他暗粒子。

这些结果仍然是初步的。尽管如此，普雷斯科德.韦恩斯坦(Prescod-Weinstein)说，在这一消息宣布之前，物理学界其实已经有了很多类似结果的讨论。

她写道：“如果这是真的，这是一件大事。”“在没有时间检查结果和与同行讨论的情况下，我不敢评论数据的可信度。当然我更喜欢一些5 sigma的结果！”

(完)

(内容转自LiveScience.com)