搜尋暗物質的意外發現

來自意大利深山之中的信號是否預示著物理學的一場革命？

這可能是一把打開宇宙奧秘之門的鑰匙，但也可能只是令人惱怒的背景噪音，又一個需要在未來實驗中校正的項目。

一個正在搜尋暗物質的科學家團隊記錄到了可疑電脈沖信號，信號源頭是安放在意大利一處深山之中的一大桶液態氙（Xenon）。他們現在并沒有對外宣稱發現了暗物質，或者與之相關的任何事物。不過，他們表示，這些信號或許會刷新我們對宇宙的認識。

科學家表示，如果這個信號確實真實存在并且一直持續下去，那就有可能證明太陽噴發出的物質中包含一種叫作“軸子”的亞原子粒子。很早之前就有理論預言了軸子的存在，并且認為這種粒子為保證自然對稱性起到了至關重要的作用，但到目前為止還沒有任何有力證據能證明軸子的確存在。

Xenon合作項目在意大利格蘭薩索國家實驗室中的暗物質探測器

“如果這個信號與暗物質無關，卻在不經意間發現了新粒子，那也意義非凡。”旨在搜尋暗物質的Xenon合作項目負責人、哥倫比亞大學的埃琳娜·艾普里勒（Elena Aprile）說。

該合作項目研究團隊在一份聲明中稱，發現軸子會“深刻影響我們對基礎物理學和天體物理學現象的認識”。

不過，這個信號還有其他解釋。這群科學家發現的可能不是軸子，而是一種叫作“中微子”的“神出鬼沒”的粒子。這個信號反映的可能是中微子的一種我們之前并不知曉的新性質。此外，還有一種可能性差不太多的解釋是：它們的探測器被極少量氚污染了——氚是氫的一種放射性同位素，數量極少。

又或者，這個信號完全只是數據統計中的自然漲落現象，隨著數據的累積會自行消失。艾普里勒博士團隊的成員們坦承，他們現在對這個信號的最好解釋——也就是發現了軸子——有萬分之二的概率是巧合，但在粒子物理學中，確證某個“發現”所需的準確度是“5西格瑪”——所容許的誤差連百萬分之一都不到。

“我們非常想要明確的是，目前我們報道的一切都只是一種異常（相當顯著的異常）觀測現象，而不是任何形式的發現。”芝加哥大學的埃文·肖克利（Even Shockley）在一封電子郵件中如是寫道。

提出軸子概念的第一批物理學家之一、麻省理工學院的諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）則特別提到了Xenon合作項目團隊自己在論文中寫到的低調忠告。不過，他也說：“這肯定是個很有吸引力的話題，整個物理學界都會對事情的進一步發展翹首以盼。”

Xenon合作項目負責人、主攻方向為暗物質的科學家埃琳娜 ·艾普里勒

其他科學家的回應則是興奮中帶著謹慎，或者謹慎中帶著興奮。

“聽到這個消息，我努力讓自己保持平靜，但內心確實很難做到波瀾不驚，”紐約大學粒子物理學家尼爾·魏納（Neal Weiner）說，“如果這真的是軸子，那稱這個發現改變了整個物理學的游戲規則，也毫不過分。”

洛杉磯科維理基金會的宇宙學家邁克爾·特納（Michael Turner）稱Xenon合作項目是一個“漂亮的實驗”。

“我真的很想相信這是真的，但我覺得最后的結果八成會讓我失望，”他說，“但就現在來說，我真的很興奮，這畢竟可能是一項重要到我們所有人都會歡呼的全新發現。”

對大質量弱相互作用粒子的期待

暗物質是一種神秘物質，質量大概是尋常原子物質的5倍。據天文學家推算，暗物質占據了宇宙的絕大部分質量。為了發現并認證暗物質，我們做了一系列努力。這其中，艾普里勒博士的Xenon項目是目前規模最大、靈敏度最高的暗物質搜索行動。

在現代宇宙學中，暗物質就是能解釋諸多宇宙現象的秘密武器。它們以不可見的云狀形式聚集在一起，吸引尋常原子物質聚集成最后演變為恒星和星系的團塊。

目前最合理的猜測是，暗物質由具有怪異性質的亞原子粒子云構成。這類奇異亞原子粒子是大爆炸的遺跡，我們通常稱其為“大質量弱相互作用粒子”（WIMPs），質量上要比氫原子大千百倍。

Xenon合作項目的實施者是一個由來自28個機構和11個國家的163名科學家構成的跨國團隊。艾普里勒博士和她的同事們在意大利格蘭薩索國家實驗室巖石下方約1.6公里的一個隧道內排布了一連串裝有液態氙的大桶，桶上還安裝了光電倍增管和其他感應器。把氙桶埋在地下深處，是為了屏蔽宇宙射線和其他日常的干擾。研究人員希望艾普里勒博士的這個裝置能探測到大質量弱相互作用粒子與氙原子的碰撞（很少發生）。這種碰撞會引起閃光和電荷云。

然而，到目前為止，上述現象還沒有出現過。

這個項目的最新版本Xenon1T，在2016—2018年之間用了2噸氙作為靶子。

芝加哥大學的盧卡·格蘭迪（Luca Grandi）解釋說，在最近對該實驗的分析中，研究團隊找到的是因碰撞而發生反沖的電子，而不是更重的氙原子核。這可能標志著有比假想中的大質量弱相互作用粒子輕得多的粒子撞擊了氙。

模擬和計算表明，一年中，隨機事件應該會造成大概232次這樣的反沖現象。

然而，從2017年2月至2018年2月，探測器記錄到了285次反沖，超過了預期值53次。

格蘭迪博士在談及測量結果時說：“一年前，我們注意到了這種反常現象，并且嘗試了各種消除這種異常的方法。”

這個合作項目目前正處于最后一個階段：準備一個規模更大、靈敏度更高的實驗設備。由于意大利受新冠疫情影響采取了封鎖措施，這個項目也被迫推遲，但有可能在今年年底重新啟動。

格蘭迪博士說，如果這個異常情況真實存在，那么在新設備啟動后一兩個月內就會出現。

因此，就現在來說，這三種可能——軸子、中微子或氚——都還沒有排除，格蘭迪博士如是說。

亞原子粒子

于是，軸子可能就要進入宇宙學的主舞臺了。

軸子的故事開始于1977年。當時，加利福尼亞大學洛杉磯分校教授羅伯托·佩切伊（Roberto Peccei，2020年6月1日離世）以及斯坦福大學榮休教授海倫·奎因（Helen Quinn）對約束強核力的理論作了輕微修正，確保它與時間的方向無關——物理學家認為，這個特征是宇宙的必需。

掩埋在地下約1.37公里處的格蘭薩索實驗室是全球最大的地下研究中心

維爾切克博士和德克薩斯大學奧斯丁分校的斯蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）各自獨立地意識到，這個修正意味著一種新亞原子粒子的存在。維爾切克博士稱其為軸子，這個名稱就這樣流傳了下來。

在維爾切克意識到佩切伊-奎因理論意味著某種新粒子的存在時，他就知道用上“軸子”這個名字的機會來了。

到目前為止，我們還沒找到軸子存在的任何證據，無論是直接的還是間接的。而且，佩切伊-奎因理論也沒有預測這種粒子的質量，尋找起來就更加困難了。這個理論只預言了軸子的性質怪異，且極少與尋常物質發生相互作用。理論物理學家已經構想了許多版本的軸子，它們能在宇宙中扮演不同角色，其中包括代替大質量弱相互作用粒子成為填充宇宙、連接星系的暗物質。雖然軸子并不是大質量弱相互作用粒子，但這兩者之間有一些我們想象中的怪異能力，比如它們都能漂浮著穿透地球和我們的身體，就像煙穿過紗門一樣。

然而，按照特納博士的說法，如果要滿足宇宙學家的需要，那么這些假想中的暗物質軸子的質量必須小于一個電子伏特的千分之一——電子伏特是物理學家偏愛的質量和能量單位。（相較之下，在你智能手機中翩翩起舞的電子，單個質量就相當于50萬個電子伏特。）軸子在質量上的不足就只能用數量來彌補。

這樣一來，能夠充當宇宙暗物質的這類軸子運動速度就會變得很慢，豐度也很稀薄，沒法被Xenon合作項目的實驗裝置探測到。

不過，格蘭迪博士說，太陽內部的核反應也同樣能產生軸子，并且這些“太陽軸子”的能量足以讓氙探測器最敏感的部分發出電脈沖信號。

維爾切克博士說，雖然太陽軸子不可能是暗物質，但只有先證實它們確實存在，未來才有可能證明另一類軸子是暗物質。

科學家目前還開展了其他一些旨在直接探測宇宙暗物質軸子的實驗。華盛頓大學開展的軸子暗物質實驗就是一例，這個實驗用一個強磁場來探測軸子，如果成功，就會看到軸子變成微波。此外，位于瑞士的歐洲核子研究中心開展的歐洲核子研究中心太陽軸子望遠鏡實驗（CERN Axion Solar Telescope，CAST）也在尋找來自太陽的軸子。

另一個麻煩

另一種同樣激動人心的可能（雖然可能性要稍小一些）是，Xenon合作項目發現的這個異常信號來自一種叫作“中微子”的微小粒子。我們已經證明，這種怪異粒子真實存在，并且以每秒幾百萬個的速度不斷穿過我們的身體。

正常來說，在探測器得到的異常數據中，中微子不會有多大貢獻，但如果它們帶有一種物理學家稱為“磁矩”的內凜磁場，那情況就大不一樣了。磁矩會大大提高中微子與氙發生相互作用的概率進而影響探測器的讀數。按照現在的標準說法，中微子應該是電中性的，不帶磁場。如果中微子確實擁有磁場，那么與它有關的一切物理規律都要重寫。

魏納博士說，那可是件“很大很大的事”，因為那意味著有新基礎粒子等待我們發現——那就是全新的物理學了。

然而，魏納博士等人（其中包括Xenon合作項目研究團隊自己）警告說，無論這個信號是軸子還是中微子，都與現在的天文觀測結果相抵觸。

像白矮星這樣的死亡恒星已經耗盡了自己的核燃料。隨著時間的推移，它們會把自己僅剩的能量也全部輻射出去，逐漸黯淡并冷卻。魏納博士指出，如果它們像太陽那樣釋放的是軸子或者帶有磁矩的中微子，那么它們丟失能量、亮度下降的速度會快過天文學家們現在觀測到的結果。魏納博士稱這個問題為他和其他理論物理學家將通過頭腦風暴思索答案的“大麻煩”。

氚則是另一個麻煩。

氫是宇宙中最輕且豐度最高的元素。氚則是氫的一種放射性同位素，半衰期12.3年。大多數氚都是宇宙射線與大氣層發生相互作用產生的，主要用途則是放在氫彈中增加爆炸力。

格蘭迪博士稱，如果氚是測量結果異常的原因，那么造成這種讀數變化所需的氚含量大概是“每千克氙中3個氚原子，這個數低得令人難以置信”。他還表示，如果不是有氙探測器這么靈敏的儀器，這么低的氚含量幾乎不可能探測到。

格蘭迪博士坦承，氚可能的確是測量結果異常的原因，而且氚污染可能只是未來在設計探測器時需要考慮并校正的細節之一。

“不過，想想這些的確有可能是真實存在的信號，我們當然很是興奮。”格蘭迪博士說。

他補充說：“它的背后是超越了標準模型的物理學，所以當然是個大新聞。我覺得這肯定是個重要發現。”

格蘭迪博士現在身處意大利北部，迫切希望回到格蘭薩索實驗室，并且開始推動下一階段的Xenon合作項目實驗。

而艾普里勒博士則會在幾周內離開紐約前往意大利，她說：“我很是興奮，但真正值得興奮的是，馬上就要有新探測器了，我感覺棒極了。”

宇宙正在等待我們揭開答案。

“我們要推動一把，”格蘭迪博士說，“現在，我覺得我們身下的東西才真正令人興奮。”

資料來源 The New York Times