科学家新猜想轴子会是我们寻找暗物质的最佳选择吗

　　北京时间3月11日消息，据国外媒体报道，科学家一直在探索暗物质的真实身份和组成。现在，研究人员发现了新的证据，为一种被称为轴子（axion）的假想粒子提供了支持，认为这很可能是暗物质的主要成分之一。
　　子弹星系团（BulletCluster）的合成图像。子弹星系团由一对迎面碰撞的星系团组成，得到了广泛的研究，并被认为是暗物质存在的有力证据。其中一个星系团穿过另一个，就像子弹穿过苹果一样，可能显示出暗物质（蓝色）与炽热气体（粉色）分离的明显迹象。
　　1933年，天文学家首次推断宇宙中存在某种看不见的物质，后来，这些丢失的质量被称为暗物质。自此之后，暗物质一直是全世界天文学家和物理学家追逐的神秘对象。尽管有理论认为暗物质占宇宙中所有物质的85，但这些看不见的物质究竟是由什么组成的，仍然是一个谜。什么是轴子？
　　一些研究人员认为，暗物质实际上可能是一种名为轴子的奇怪粒子。这是一种假想的基本粒子，具有极微小的质量和能量。轴子最初于1977年提出，用来解决粒子物理学中所谓的强CP问题为什么CP在量子色动力学中不被破坏？
　　这是一个长期悬而未决的疑难问题。CP是粒子物理学中两个对称运算的乘积：C对称即电荷对称，量子操作为电荷共轭运算，可以将一个带电荷粒子转化为其反粒子；P是宇称，宇称运算会造成一个物理系统的镜像。在强相互作用和电磁作用中，CP转化运算对整个物理系统不产生任何影响，即CP对称；但在一定的弱相互作用中，这个对称会被微小地打破（CP破坏）。对CP破坏的研究至今仍然是理论物理学和实验物理学中非常活跃的领域。
　　在CP对称中，如果一个粒子与它的反粒子交换，或者当它被倒置或成为镜像时，涉及的物理定律应当是相同的。在量子色动力学中，强相互作用可能会导致CP破坏，但科学家从未观察到这种破坏。
　　欧洲核子研究中心（负责运行大型强子对撞机的机构）的粒子物理学家约翰埃利斯说：我们已经知道，这种CP对称区分了粒子和反粒子。我们也知道，弱相互作用中会出现CP破坏。这是一个谜，为什么在强相互作用中没有违反这种对称？自轴子被提出以来，埃利斯就一直从事这方面的研究。
　　1977年，研究者提出了标准模型的一个扩展，在这个扩展中，强相互作用不会破坏CP对称，这个理论预测了轴子的存在。2020年，一个物理学团队发现了轴子存在的第一个直接证据，使得这种假想粒子更具合理性，也引起了科学界对轴子的兴趣，同时进一步支持了轴子可能是暗物质最佳候选粒子的观点。
　　暗物质占宇宙中物质的绝大部分，而我们不知道它究竟是什么。在所有科学中最突出的问题之一，便是‘什么是暗物质？’新研究的第一作者、美国加州大学伯克利分校物理学助理教授本杰明萨夫迪在一份声明中说，我们猜测这是一种未知的新粒子，而轴子可能就是这种粒子。它可能在大爆炸中大量产生，并漂浮在宇宙中，可以解释天体物理学已经取得的观察结果。放弃WIMP？
　　暗物质毛发。一些研究人员认为，暗物质以这种网状的模式分布在整个宇宙中。
　　在2月23日发表在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上的两篇综述中，研究人员描述了轴子如何成为暗物质的主要候选粒子，以及物理学家将如何更深入地研究这种粒子，或许还将解释暗物质之谜。
　　到目前为止，在众多可能组成暗物质的候选成分中，一直处于领先地位的当属大质量弱相互作用粒子（weaklyinteractingmassiveparticles，简称WIMP）。WIMP是一个很笼统的术语，描述的是一种仍然停留在理论阶段的假想粒子，只通过弱核力和引力与普通物质发生非常微弱的相互作用。据预测，WIMP的质量是质子的1到1000倍。
　　然而，尽管WIMP是最有希望的暗物质候选成分，在过去的几年里，WIMP并没有出现在大型强子对撞机中，也没有出现在对暗物质的直接搜索中。因此，随着WIMP逐渐失去作为暗物质候选粒子的光环。
　　我们能否捕获轴子？
　　随着对WIMP的研究陷入僵局，研究人员开始探索可以采取哪些步骤来确认轴子的存在，并进一步确定它是否可能是暗物质。研究人员在综述中提出，他们有可能最终捕获轴子，并通过预测其质量来确认其存在。
　　在这两篇综述中，研究人员提出了物理学家可以采用的几种不同的方法，既可以预测轴子的质量，也可以将其作为暗物质的候选者进行研究。这些方法包括使用光晕仪（haloscope），这种仪器可以观察来自银晕的微波光子信号。（星系晕是星系周围一个巨大的球形空间区域，其范围超出了可见物质的范围。）
　　研究人员预计，在这样的实验中，轴子会在微波空腔中转换成电磁波，尽管这种情况会非常罕见。理论上，这种电磁波是能够被探测到的。
　　研究人员还提出了物理学家们目前正在使用，并可能用于寻找轴子的其他方法，包括使用地面望远镜，例如使用欧洲核子研究中心的轴子太阳望远镜（CAST）来探测太阳核心产生的轴子，甚至发现中子星磁层中的轴子在那里它们可能会转换为光子，并留下明显的光谱特征。寻找质量
　　在这两篇综述中，研究人员探索了可以让科学家探测轴子的前沿技术，而目前较流行的轴子探测技术之一，便是尝试在微波空腔中探测电磁波。
　　不过，在2月25日发表在《自然通讯》（NatureCommunications）杂志上的另一项新研究中，研究人员使用美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算机目前世界上最大的超级计算机之一模拟了轴子的产生过程。
　　在该团队的模拟中，轴子几乎就在大爆炸后立即产生；他们还将宇宙中暗物质的总质量和产生的轴子总数考虑在内，从而估计出轴子的可能质量。模拟结果显示，轴子的质量是理论物理学家预期的两倍多，达到40到180eV（大致相当于一个电子质量的100亿分之一）。
　　研究小组还发现，轴子可以产生比预期更高频率的电磁波，而该频率超出了实验中通常用于探测轴子电磁波的范围，在这些轴子实验中，模拟程序不知道应该调到哪个频率，因此必须扫描许多不同的可能性。
　　对于模拟的结果，研究人员形容早期宇宙中的轴子可能表现得就像从野马上摔下来的骑手。
　　你可以想象这些绳子由轴子组成，在宇宙扩张的过程中，绳子向周围甩出，形成圆环，互相连接，并经历许多剧烈的动力过程。位于边缘的轴子正试图紧紧抓住绳子，但当一些过于剧烈的过程发生时，它们就会从这些绳子上甩出去。而那些脱离绳子的轴子最终会在很久以后变成暗物质。
　　当然，研究团队并没有解决了暗物质问题，也没有给出关于轴子的确切描述。但随着越来越多的研究者继续推进这类实验，在不久的将来，或许我们就能更好地理解这些假想粒子究竟是什么，并最终解开暗物质之谜。