書寫軸子傳奇

物理定律不隨時(shí)間前后推移而改變，而時(shí)間似乎只朝一個(gè)方向移動(dòng)。物理學(xué)家把逆轉(zhuǎn)時(shí)間之箭的變換稱為“時(shí)間反演”，或者簡(jiǎn)稱為T。他們把T不改變基本定律的（近似）事實(shí)稱為“T不變性”。

為什么大自然如此精確地執(zhí)行T不變性？人們提出了幾種解釋，但只有一種經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。核心觀點(diǎn)來(lái)自羅伯托·佩切伊（Roberto Peccei）和海倫·奎因（Helen Quinn），但他們忽視了其觀點(diǎn)的一個(gè)重要的、可檢驗(yàn)的結(jié)果。據(jù)預(yù)測(cè)，由他們所引入的中和場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一種粒子，而這種粒子具有一些顯著的性質(zhì)。但他們沒有注意到這些粒子，因此沒有為其命名。這給了我一個(gè)實(shí)現(xiàn)早年夢(mèng)想的機(jī)會(huì)。

若干年前，超市里一種名叫Axion的包裝顏色鮮艷的洗衣粉吸引了我的目光。我突然想到Axion（軸子）聽起來(lái)像一個(gè)粒子的名字。所以當(dāng)我注意到有一個(gè)新的粒子用axial（軸向）電流“解決”了一個(gè)問(wèn)題時(shí)，我看到了機(jī)會(huì)。史蒂文·溫伯格也注意到了這個(gè)粒子，他一直稱其為Higglet，他明智且大度地放棄了這個(gè)名字。于是一個(gè)傳奇開始了，其結(jié)局仍有待書寫。

弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）麻省理工學(xué)院物理學(xué)家

在關(guān)于粒子數(shù)據(jù)組的歷史記錄中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)好幾頁(yè)涵蓋了幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)的不成功的軸子搜索描述。然而，是有理由樂(lè)觀的。

軸子理論普遍性地預(yù)言：軸子應(yīng)該是非常輕、壽命很長(zhǎng)的粒子，它們與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱。但是為了比較理論和實(shí)驗(yàn)，我們需要定量。在這里我們遇到了模糊性，因?yàn)楝F(xiàn)有的理論并不能確定軸子質(zhì)量的值。如果我們知道軸子的質(zhì)量，我們就可以預(yù)測(cè)它的所有性質(zhì)。但是質(zhì)量本身可以在很大范圍內(nèi)變化。（同樣的基本問(wèn)題也出現(xiàn)在粲夸克、希格斯粒子、頂夸克和其他幾個(gè)夸克身上。在每一個(gè)粒子被發(fā)現(xiàn)之前，理論就預(yù)測(cè)了它的所有性質(zhì)，除了它的質(zhì)量值。）結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸子相互作用的強(qiáng)度與它的質(zhì)量成正比。因此，隨著軸子質(zhì)量的假設(shè)值減小，軸子變得更加難以捉摸。

在初期，物理學(xué)家專注于軸子與希格斯粒子密切相關(guān)的模型。這些想法表明，軸子的質(zhì)量應(yīng)該是10千電子伏（keV），也就是說(shuō)，大約是電子質(zhì)量的1/50。我之前提到的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是為了尋找具有這種特性的軸子。到目前為止，我們可以確信這樣的軸子是不存在的。

因此，人們的注意力轉(zhuǎn)向了更小的軸子質(zhì)量值（從而導(dǎo)致更弱的耦合），這并沒有被實(shí)驗(yàn)排除在外。這類軸子在統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)模型的相互作用的模型中非常自然地出現(xiàn)。它們也出現(xiàn)在弦理論中。

據(jù)我們計(jì)算，軸子應(yīng)該在大爆炸的早期大量產(chǎn)生。如果軸子真的存在，那么軸子流將遍布宇宙。軸子流的起源與著名的宇宙微波背景（CMB）輻射的起源極為相似，但這兩種物質(zhì)之間有三大區(qū)別：第一，微波背景被觀察到了，而軸子流仍然是一種假設(shè)。第二，由于軸子有質(zhì)量，因此軸子流對(duì)整個(gè)宇宙的質(zhì)量密度貢獻(xiàn)很大。事實(shí)上我們計(jì)算得出，它們所貢獻(xiàn)的質(zhì)量大致相當(dāng)于天文學(xué)家所認(rèn)定的暗物質(zhì)質(zhì)量！第三，由于軸子的相互作用非常微弱，它們比來(lái)自CMB的光子更難觀測(cè)到。

對(duì)軸子的實(shí)驗(yàn)性搜索仍在幾個(gè)方面進(jìn)行。其中兩個(gè)最有希望的實(shí)驗(yàn)都是為了探測(cè)軸子流。其中之一的ADMX（軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)）使用特制的超靈敏天線將背景軸子轉(zhuǎn)換為電磁脈沖。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)——CASPEr（宇宙軸子自旋進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)）尋找由軸子流所引起的核自旋運(yùn)動(dòng)中的微小擺動(dòng)。這些困難的實(shí)驗(yàn)有望覆蓋幾乎所有可能的軸子質(zhì)量。

軸子存在嗎？我們還不確定。它們的存在將為T不變性研究帶來(lái)一個(gè)戲劇性的、令人滿意的結(jié)局，而且很可能解決暗物質(zhì)之謎。比賽正在進(jìn)行中。

——星野譯自Quanta Magazine