全球最灵敏暗物质实验宣布发现意外：或是苦寻40年的新粒子

导读：北京时间6月18日凌晨，位于意大利格兰萨索地下实验室的全球最灵敏暗物质实验XENON1T（“氙一吨”）宣布观测到了来源不明的意外结果，可能是一种被称作“轴子”（Axion）的新粒子。

北京时间6月18日凌晨，位于意大利格兰萨索地下实验室的全球最灵敏暗物质实验XENON1T（“氙一吨”）宣布观测到了来源不明的意外结果，可能是一种被称作“轴子”（Axion）的新粒子。轴子在1977年被物理学家预言存在，是一种超出粒子物理标准模型的存在，由诺奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）命名。

不过，XENON国际合作组织并未排除其他更常规的可能性，例如是微量氚杂质产生的误差。

XENON实验

为什么暗物质探测实验没有发现暗物质，反而冒出来一个“轴子”？

什么是轴子？

43年前，“轴子”假说的提出是为了深入解释现代物理中的对称性问题。

1956 年李政道、杨振宁与吴健雄等人提出并在实验上验证了宇称P在弱相互作用中不守恒。后来人们发现弱相互作用中正反粒子共轭（C）与宇称（P）的联合变换CP 也不守恒。C 变换即将一个粒子变成它的反粒子，P 变换即空间坐标反演。

那么，强相互作用中CP变换守不守恒呢？

1977年，诺奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和维尔切克提出了轴子模型。在解决强CP 问题的方案之中，轴子最为自然，也最为优雅，引起了众多关注。

根据模型，轴子是一种质量很小的粒子，可能只有电子质量的万亿分之一。它与其他物质相互作用极其微弱，因此很难通过对撞机等高能物理实验装置寻找。

不过，同样根据理论，轴子与光子在强电磁场中会相互转化。太阳因此应是一个天然轴子源。

位于高能物理圣地——欧洲核子中心的“太阳轴子望远镜”（CAST）就利用加速器磁铁将理论上存在的轴子转化为光子，从而探测是否有源自太阳的轴子流存在。

暗物质候选人？

有趣的是，为了解决粒子物理理论问题而提出的轴子模型，也可能破解天体物理学家苦苦寻觅的暗物质谜团。虽然它并非暗物质最主流的候选人，但也无法排除。

所谓暗物质，指的是它不与光相互作用，无法被“看”到，但它的存在切切实实地影响到了可见物质的运动，从星系到宇宙学尺度上的观测均可验证。

比如，我们所在的太阳系围绕银河系中心旋转的实际速度，明显快于基于牛顿引力定律的计算结果。这意味着，银河系中存在大量不可见的神秘物质提供了额外的引力。若非如此，太阳系早该被“甩”出去才是。这些不可见的物质，质量应该高达宇宙中物质总量的85%，远远大于我们认知的物质。

之前最主流的模型，是一种被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）的粒子。它参与引力和弱核力，质量相对较大。根据计算预测，每分每秒都有无数暗物质粒子穿透地球。

因此，XENON实验、中国四川锦屏山地下隧道里的PandaX实验、美国南达科他州废弃金矿下的LUX实验，都采取了守株待兔的思路：囤积数以吨计的液氙，等待与暗物质粒子进行一次“电光石火”的碰撞。

一旦WIMPs与其中一个氙原子发生了碰撞，其冲能就会转化为光电信号，被探测器中灵敏的光电管记录下来。实验室设立在千米深的地下，是为了更好地屏蔽外界的噪音。

多出来的53个信号

虽然模型很受欢迎，但WIMPs存在的概率越来越渺茫。

在国际上各个团队的合作竞争中，液氙实验的精确度不断被刷新，排除的范围越来越大，提出的限制越来越高，人类仍是一无所获。这意味着，留给WIMPs的理论存在空间越来越狭窄。

上一个对WIMPs质量提出最新限制的实验组，正是XENON1T。

XENON国际合作组织由来自10个国家（地区）、28个研究机构的163名研究人员组成，主要分布在欧、美、日。

虽然名字叫“氙一吨”，但该实验目前实际用到了3.2吨超纯液氙，其中2吨用于被撞。

当然，科学家们考虑到了会有已知的常规粒子闯入其中。他们预期这些粒子会产生232个信号。

没想到，最终实验出现了285个信号。既然不符合WIMPs的特征，这多出来的53个，从何而来？

3种可能性

在当日举行的在线研讨会上，XENON科学家们给出了三种可能的解释。相关论文也同时上传到预印本网站ArXiv上。

第一，也是最“正常”、没有新物理的一种，是探测器里混入了微量氢的同位素氚（一个氚原子由一个质子和两个中子构成）。事实上，只要每10^25（1000000000000000000000000！）个液氙原子混入几个氚原子，就能造成这53个多余事件。目前，尚无测量结果能证实或排除这一点。

第二，也是最令人兴奋的一种，就是太阳轴子产生了光电信号。虽然这些由太阳产生的轴子不可能是宇宙暗物质的来源，但证明新粒子的存在本身就是重磅发现。

第三，就是另一种质量非常小、每时每刻都在大量穿透地球的粒子——中微子。不过，如果要产生这个量级的多余信号，中微子需要具备此前未知的一些物理属性。因此，这个可能性也包含新物理因素。

上述三种可能性的显著性都很可观，从信号能谱等信息来看，与太阳肘子模型最为吻合。不过，XENON国际合作组织强调现有证据尚不足以下结论。

随着未来“氙一吨”升级成“氙几吨”（XENONnT）,液氙规模增加2倍，背景噪音也会进一步压低，实验才可能给出最终的答案：是数据波动，是杂质污染，还是激动人心的新物理？