当意大利格兰萨索国家实验室的科学家们宣布其探测器上显示的异常信号可能是人类长期寻找的亚原子粒子——轴子时，他们的同行都表现出谨慎乐观的态度：物理学领域中所谓的探测到新粒子通常随着研究人员取得越来越多的数据而化为泡影。而且对这些信号还有其他更简单的解释。不过，许多物理学家认为，从理论上讲轴子应当是存在的。这一假想粒子是构成暗物质的潜在粒子之一。暗物质这一神秘物质可能是宇宙物质的主要组成部分。确认轴子的真实存在将会是粒子物理学的重大突破，这项发现也会对人类理解宇宙的组成与历史产生深远影响。
轴子的故事起源于20世纪70年代，那时物理学家们正在研究标准模型，该模型用于描述基本粒子以及这些粒子之间的相互作用。科学家们注意到强核力有一些奇怪的地方，这种力将夸克结合在一起，形成原子核内的质子和中子。强核力以某种方式约束着中子的结构，使其完全对称。换句话说，虽然中子是电中性的，但是组成中子的夸克是带有电荷的，而且不知为何，其电荷分布竟然是均匀的（根据最新的测量，差异小于十亿分之一）。用粒子物理学的专业术语说，中子是电荷-宇称对称（CP对称）的，即将中子所有的电荷从正变成负，同时镜像观察其行为，将无法分辨出有何不同。关于中子为何拥有该特性的问题被称为“强CP问题”。
1977年，斯坦福大学的Helen Quinn，以及其后的Roberto Peccei，提出了一个可能性：或许有一种充斥在整个宇宙中的未知场抑制了中子的非对称性。后来理论物理学家Frank Wilczek和Steven Weinberg推导出，如果能稍稍调整标准模型以允许这种场存在，那么会产生一种新的粒子，即轴子（Wilczek受一款洗衣粉牌子的启发取了这么一个名字）。轴子没有量子力学中的“自旋”概念，是一种玻色子。虽然轴子不是没有质量，但也非常非常小。
轴子的质量小到难以察觉，但是其数量如此巨大，以至于物理学家们很快意识到轴子或许可以解释宇宙中“消失”的质量。自20世纪30年代起，天文观测表明，可见物质，比如星系、恒星、行星等等，所占质量不到宇宙所有物质总质量的六分之一，而剩下的质量则由暗物质提供。从那时起，暗物质的特性成了物理学中激烈争论的焦点。
“轴子的确有可能是构成暗物质的潜在粒子。”斯坦福大学的Peter Graham说。轴子应当充满整个宇宙，除此之外，轴子还应该具有天然的“暗”特性，即其几乎无法与普通物质发生相互作用。“宇宙乐于创造轴子，” Graham说，“并且宇宙将轴子创造为冰冷黑暗的物质，摸不着看不见，虽然我们知道轴子就在那里。”
“冰冷”是暗物质的另一个重要特征，然而，研究者们宣称在格兰萨索国家实验室XENON1T实验中探测到的“轴子”很可能是在太阳内部产生的，它们带有很高的能量，因此不可能是暗物质的组成成分。暗物质轴子运动缓慢，或者说“冰冷”，从而它们可以聚集在一起，通过引力引导星系的演化，就像科学家认为的暗物质那样。理论物理学家怀疑这样的轴子产生于宇宙早期。此外，因为这一假想的创造“冰冷”轴子的过程与宇宙早期的爆发式增长（即宇宙尺寸的极速膨胀，也称为“暴涨”）有关，寻找和进一步研究这种神出鬼没的粒子能够帮助物理学家了解宇宙大爆炸后的那一瞬间。Graham说，哪怕轴子的发现无法证明宇宙暴涨的发生，它也可以透露一些珍贵的信息，告诉我们在物理学上那时的宇宙在发生了什么。“对我来说，那才是轴子令人兴奋的地方。” Graham补充道。
不过科学家们的反应很谨慎，XENON1T实验的团队成员同样如此。他们能确认的是，在实验的心脏地带即巨大的液态氙容器中看到了大量的电子“闪避”现象。产生这种电子跳动的原因尚有争议。如果中微子这种亚原子粒子有未知的磁特性，那么就可以解释所观察到的现象。或者其原因也可能更普通：所用的液态氙中混有少量的氚，这种氢的重同位素自带放射性，可以污染XENON1T采集到的信号。此外，异常信号的置信水平只有“3.5σ”，意思是采集到的“信号”实际上只是噪声的可能性有五千分之一，“信号”或许是统计学上的波动而非物理学新发现。如果真的发现了轴子，那么异常信号是噪声的可能性要低于三百五十万分之一，即置信水平为“5σ”，这是粒子物理学中确定一项新发现的传统标准。
除了继续收集更多的数据并且升级实验，XENON1T研究人员将寻找这些信号的年周期变化特征。太阳轴子会导致该信号随着地球绕太阳的旋转而波动。同时，华盛顿大学的轴子暗物质实验（Axion Dark Matter Experiment，ADMX）和日内瓦附近的欧洲核子研究会轴子太阳望远镜实验（CERN Axion Solar Telescope，CAST）也可能会提供补强证据。ADMX已经设法给轴子质量设置新的约束，而CAST自2003年起就在寻找太阳轴子。
如果轴子被证明是真实存在的，那么它将是“理论物理学的巨大胜利，自然世界也会对如此美妙的论证表示认可：‘对对对，就是这样的。’” 麻省理工学院的Wilczek说道。他因关于强相互作用的理论研究而成为2004年诺贝尔物理学奖获得者之一。Wilczek认为，轴子的存在将为标准模型之外的物理学指出一条新的道路，一条他和他的同行们已经期盼了数十年的道路。Wilczek建议建造新的天线来寻找宇宙早期形成的轴子，并且补充说如果这些轴子能被成功地探测到，那“将打开天文学的新篇章”，因为轴子的行为可以揭示星系是如何形成的，“或许还有其他令人兴奋的东西”。
虽然这项研究可能是诺贝尔奖级别的，但Wilczek还没有空出第二块奖牌的位置。不过如果有机会再获得一次诺贝尔奖，Wilczek说“他不会让它溜走的。”
作者：Dan Falk 驻多伦多的科学记者，著有《The Science of Shakespeare and In Search of Time》。
翻译：常灏杰
审校：曾小欢
引进来源：科学美国人
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