暗物质轴子探测：认识宇宙的新窗口

■李天俊、李闯、高宇

最近，美国麻省理工学院(MIT)的物理学家完成了一项名为ABRACADABRA的axion搜索技术的早期测试。这个实验的目的是探测轴子暗物质粒子。

该实验的首席研究员、麻省理工学院的物理学教授林德利·温斯洛说:“这是第一次有人直接探测到这个质量范围内的轴子...作为暗物质，轴子可能不会影响你的日常生活，但它们会影响宇宙的膨胀和我们在夜空中看到的星系的形成。”

现有的ABRA实验的探测灵敏度比欧洲核子研究中心现有的太阳轴突望远镜(CAST)的探测灵敏度弱，下一阶段实验灵敏度的预测与QCD轴子理论预测的耦合强度相差甚远。

温斯洛说，他们将继续进行实验，以达到更高的灵敏度。与此同时，他们还计划扩大实验规模，希望能检测到更轻的纺锤体。

轴突是超越标准模型预测的伪标量基本粒子。它是由佩塞伊、奎因、温伯格、威尔切克等人首先提出并由威尔切克命名的。轴子起源于高能目标的对称性破缺，它可以解决量子色动力学和中子电偶极矩微调的难题。

世界上大多数其他主流的轴子探针都集中在微电子伏特上，例如由西克维等人提出的高精度微波谐振腔实验ADMX，现在位于华盛顿大学。

麻省理工学院的理论物理学家提出了一个ABRA实验方案来检测低质量的纳伏轴子。2018年，麻省理工学院物理学家温斯洛的团队进行了该实验的首次试运行，从那一年的7月到8月采集样本。

粒子物理的标准模型是人类理解自然的一大胜利。然而，许多迹象表明，这个标准模型是不完整的。除了无法解释诸如暗物质和暗能量等天文和宇宙学发现之外，标准模型本身也存在一些问题。

物理学的历史表明，理论本身的需要是通向新物理学的唯一途径。轴突起源于标准模型中量子色动力学解释自身理论困难的需要，同时它们可以合理地解释宇宙中的暗物质。因此，所提出的轴子不仅对理论本身是必要的，而且可以解释暗物质的观测结果。因此，轴子在两个重大科学问题上具有重要意义:物质的基本相互作用和宇宙的起源和演化。

更有趣的是，类轴子粒子(axion-like particles)广泛存在于高时空维度的理论中，例如超弦理论。因此，轴子也是打开普朗克能量标准物理学的一扇窗。然而，轴子的理论质量范围非常宽。最轻的模型可以和Witten等人提出的zepto电子伏特(万亿分之一纳米电子伏特)一样小，而量子色动力学模型倾向于微电子伏特。

目前，科学家仍然无法确定轴子的具体质量，因为它们与普通物质的耦合非常弱，这给实验检测带来了挑战。然而，一旦轴子或准轴子的存在能被实验证实，我们的基本理论将向物理学的终极问题迈进一大步。

引力波的发现为人类了解宇宙打开了一扇新的窗户。暗物质轴子的探测能打开另一扇窗吗？我们将拭目以待！

(作者:中国科学院高能物理研究所、中国科学院理论物理研究所)

中国科学新闻(发现，第8版，2019-05-07)