看不见的质量
在宇宙中，我们所能看到的一切，从不起眼的小虫到硕大无比的蓝鲸，从微小的卫星到巨大的星系，都是由我们所熟悉的粒子（如质子和电子）构成的。然而，所有这些普通物质只占据了整个宇宙质量的20%不到，还有超过80%的宇宙质量完全是“暗”的，或者说是未知的。暗物质究竟是什么，这是现代物理学最深刻的谜题。
虽然暗物质存在的证据来自于它的引力相互作用，但要揭示其本质，可能需要观察暗物质与普通物质之间的非引力相互作用。物理学家提出了一些富有潜力的假想粒子作为暗物质粒子的候选，其中有一类粒子被称为超轻玻色子，如轴子或类轴子粒子。
潜力无限的轴子
轴子的故事始于上个世纪70年代。
1977年，物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn设想，如果宇宙中存在着一种看不见的场，就可以解释物理学中至今无人破解的“强CP问题”。这个问题问的是，为什么自然界中的四种基本力之一——强力对夸克的影响与它对反射在镜子里的反夸克的影响完全相同。换句话说，为什么强力遵循CP对称性？
这个问题可以简化为，为什么描述强力的方程中的某个角度（θ）的值为零。这个角度可以是0度到360度之间任何值，它代表了夸克和镜像反夸克之间的差异程度。例如，在支配衰变的弱力（另一种基本力）中，也有类似的角度，其值为43.5度。但θ的值却小于0.000000001度。
Peccei和Quinn认为，θ并不是一个常数，而是一个场，它的值可以演化。正是该场的近似对此导致了θ非常小或为零。在量子场论中，一个场总是有相应的粒子，当Frank Wilczek和Steven Weinberg研究了Peccei和Quinn的机制后预测了一个新的粒子，Wilczek将其命名为轴子。
尽管轴子作为暗物质的候选早就被提出来，但在另一种更受瞩目的候选粒子WIMP的光芒之下，轴子相对不为人知。直到近年，世界各地的许多实验都开始用不同的方法对轴子进行探测。
搜索奇异物理学的GNOME
最近，又一项新的关于暗物质轴子的研究被发表在了《自然-物理》杂志上。一个国际研究团队首次发布了他们通过使用一个全球性的实验方案所探测到的综合数据。这个实验方案名为用于奇异物理学的全球光学磁强计网络（GNOME），它由遍布在世界各地的8个国家的14台灵敏磁强计构成。
轴子或类轴子粒子的一个特点是，它们会在不同的区域形成比星系小但比地球大得多的“畴壁”。如果地球恰好遇上了这样一个轴子畴壁，它会逐渐地被GNOME网络探测到，并在磁强计中产生特征信号。这些信号甚至会以特定的方式相互关联——取决于畴壁移动的速度和它到达每个位置的时间。在最新的这项研究中，有9台磁强计提供了测得的轴子畴壁的数据。
GNOME网络。| 图片来源：Hector Masia Roig
这次实验的测量原理是基于暗物质与在磁强计中的原子的核自旋的相互作用。在实验中，原子会被有着特定频率的激光激发，使其核自旋朝着某个方向。一个潜在的暗物质场可以干扰这个方向，因干扰产生的变化是可以被磁强计测量到的。
我们可以将这个情景想象成原子最初是在一片混乱中跳动，当它们“听到”了正确的激光频率的指令，就开始一起旋转。而暗物质粒子可以使跳动的原子失去平衡，而这种干扰能够被磁强计精确地捕捉到。
研究团队连续收集了一个月的数据，并在各个实验室之间进行了统计相关性分析，但最终并没有得到令人意外的惊喜。他们无法区分原子扰动与随机噪声，不过这并不意味着实验是失败的。这个实验为轴子的可能质量提出了一定的限制：在1feV（飞伏电子）到100000feV的质量范围内，并没有出现具有统计学意义的信号。这帮助物理学家进一步缩小了发现这些信号的理论范围。
与暗物质有关的研究似乎一直在重复同样的故事：科学家不停地在寻找这些特殊的暗物质粒子，却总也找不到。但科学的历程往往就是这样。虽然我们喜爱灵光一闪的故事，喜欢那些能改变世界的重大发现，但更多的时候科学是一种深耕，需要依靠科学家小心翼翼地剔除那些失败的假设，直到真相显露。在真相到来之前，我们还需耐心等待。
#创作团队：
撰文：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01393-y
https://www.universetoday.com/154159/a-worldwide-search-for-dark-matter-fails-to-turn-up-a-signal-for-this-mysterious-particle/#more-154159
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/14970_DEU_HTML.php
#图片来源：
封面图/首图：原理
发表于 2022-2-3 23:04
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