來自意大利深山之中的信號(hào)是否預(yù)示著物理學(xué)的一場(chǎng)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(gè)需要在未來實(shí)驗(yàn)中校正的項(xiàng)目。

一個(gè)正在搜尋暗物質(zhì)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)記錄到了可疑電脈沖信號(hào)，信號(hào)源頭是安放在意大利一處深山之中的一大桶液態(tài)氙（Xenon）。他們現(xiàn)在并沒有對(duì)外宣稱發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，或者與之相關(guān)的任何事物。不過，他們表示，這些信號(hào)或許會(huì)刷新我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

科學(xué)家表示，如果這個(gè)信號(hào)確實(shí)真實(shí)存在并且一直持續(xù)下去，那就有可能證明太陽噴發(fā)出的物質(zhì)中包含一種叫作“軸子”的亞原子粒子。很早之前就有理論預(yù)言了軸子的存在，并且認(rèn)為這種粒子為保證自然對(duì)稱性起到了至關(guān)重要的作用，但到目前為止還沒有任何有力證據(jù)能證明軸子的確存在。

Xenon合作項(xiàng)目在意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中的暗物質(zhì)探測(cè)器

“如果這個(gè)信號(hào)與暗物質(zhì)無關(guān)，卻在不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)了新粒子，那也意義非凡?！敝荚谒褜ぐ滴镔|(zhì)的Xenon合作項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哥倫比亞大學(xué)的埃琳娜·艾普里勒（Elena Aprile）說。

該合作項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)在一份聲明中稱，發(fā)現(xiàn)軸子會(huì)“深刻影響我們對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)和天體物理學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)”。

不過，這個(gè)信號(hào)還有其他解釋。這群科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(gè)信號(hào)反映的可能是中微子的一種我們之前并不知曉的新性質(zhì)。此外，還有一種可能性差不太多的解釋是：它們的探測(cè)器被極少量氚污染了——氚是氫的一種放射性同位素，數(shù)量極少。

又或者，這個(gè)信號(hào)完全只是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中的自然漲落現(xiàn)象，隨著數(shù)據(jù)的累積會(huì)自行消失。艾普里勒博士團(tuán)隊(duì)的成員們坦承，他們現(xiàn)在對(duì)這個(gè)信號(hào)的最好解釋——也就是發(fā)現(xiàn)了軸子——有萬分之二的概率是巧合，但在粒子物理學(xué)中，確證某個(gè)“發(fā)現(xiàn)”所需的準(zhǔn)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(bào)道的一切都只是一種異常（相當(dāng)顯著的異常）觀測(cè)現(xiàn)象，而不是任何形式的發(fā)現(xiàn)。”芝加哥大學(xué)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(xué)家之一、麻省理工學(xué)院的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）則特別提到了Xenon合作項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自己在論文中寫到的低調(diào)忠告。不過，他也說：“這肯定是個(gè)很有吸引力的話題，整個(gè)物理學(xué)界都會(huì)對(duì)事情的進(jìn)一步發(fā)展翹首以盼?！?/p>

Xenon合作項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、主攻方向?yàn)榘滴镔|(zhì)的科學(xué)家埃琳娜 ·艾普里勒

其他科學(xué)家的回應(yīng)則是興奮中帶著謹(jǐn)慎，或者謹(jǐn)慎中帶著興奮。

“聽到這個(gè)消息，我努力讓自己保持平靜，但內(nèi)心確實(shí)很難做到波瀾不驚，”紐約大學(xué)粒子物理學(xué)家尼爾·魏納（Neal Weiner）說，“如果這真的是軸子，那稱這個(gè)發(fā)現(xiàn)改變了整個(gè)物理學(xué)的游戲規(guī)則，也毫不過分。”

洛杉磯科維理基金會(huì)的宇宙學(xué)家邁克爾·特納（Michael Turner）稱Xenon合作項(xiàng)目是一個(gè)“漂亮的實(shí)驗(yàn)”。

“我真的很想相信這是真的，但我覺得最后的結(jié)果八成會(huì)讓我失望，”他說，“但就現(xiàn)在來說，我真的很興奮，這畢竟可能是一項(xiàng)重要到我們所有人都會(huì)歡呼的全新發(fā)現(xiàn)?！?/p>

對(duì)大質(zhì)量弱相互作用粒子的期待

暗物質(zhì)是一種神秘物質(zhì)，質(zhì)量大概是尋常原子物質(zhì)的5倍。據(jù)天文學(xué)家推算，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙的絕大部分質(zhì)量。為了發(fā)現(xiàn)并認(rèn)證暗物質(zhì)，我們做了一系列努力。這其中，艾普里勒博士的Xenon項(xiàng)目是目前規(guī)模最大、靈敏度最高的暗物質(zhì)搜索行動(dòng)。

在現(xiàn)代宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)就是能解釋諸多宇宙現(xiàn)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(zhì)聚集成最后演變?yōu)楹阈呛托窍档膱F(tuán)塊。

目前最合理的猜測(cè)是，暗物質(zhì)由具有怪異性質(zhì)的亞原子粒子云構(gòu)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(zhì)量弱相互作用粒子”（WIMPs），質(zhì)量上要比氫原子大千百倍。

Xenon合作項(xiàng)目的實(shí)施者是一個(gè)由來自28個(gè)機(jī)構(gòu)和11個(gè)國(guó)家的163名科學(xué)家構(gòu)成的跨國(guó)團(tuán)隊(duì)。艾普里勒博士和她的同事們?cè)谝獯罄裉m薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室?guī)r石下方約1.6公里的一個(gè)隧道內(nèi)排布了一連串裝有液態(tài)氙的大桶，桶上還安裝了光電倍增管和其他感應(yīng)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(gè)裝置能探測(cè)到大質(zhì)量弱相互作用粒子與氙原子的碰撞（很少發(fā)生）。這種碰撞會(huì)引起閃光和電荷云。

然而，到目前為止，上述現(xiàn)象還沒有出現(xiàn)過。

這個(gè)項(xiàng)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(xué)的盧卡·格蘭迪（Luca Grandi）解釋說，在最近對(duì)該實(shí)驗(yàn)的分析中，研究團(tuán)隊(duì)找到的是因碰撞而發(fā)生反沖的電子，而不是更重的氙原子核。這可能標(biāo)志著有比假想中的大質(zhì)量弱相互作用粒子輕得多的粒子撞擊了氙。

模擬和計(jì)算表明，一年中，隨機(jī)事件應(yīng)該會(huì)造成大概232次這樣的反沖現(xiàn)象。

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

格蘭迪博士在談及測(cè)量結(jié)果時(shí)說：“一年前，我們注意到了這種反?，F(xiàn)象，并且嘗試了各種消除這種異常的方法。”

這個(gè)合作項(xiàng)目目前正處于最后一個(gè)階段：準(zhǔn)備一個(gè)規(guī)模更大、靈敏度更高的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。由于意大利受新冠疫情影響采取了封鎖措施，這個(gè)項(xiàng)目也被迫推遲，但有可能在今年年底重新啟動(dòng)。

格蘭迪博士說，如果這個(gè)異常情況真實(shí)存在，那么在新設(shè)備啟動(dòng)后一兩個(gè)月內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)。

因此，就現(xiàn)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(jìn)入宇宙學(xué)的主舞臺(tái)了。

軸子的故事開始于1977年。當(dāng)時(shí)，加利福尼亞大學(xué)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(xué)榮休教授海倫·奎因（Helen Quinn）對(duì)約束強(qiáng)核力的理論作了輕微修正，確保它與時(shí)間的方向無關(guān)——物理學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)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(shí)驗(yàn)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(xué)奧斯丁分校的斯蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）各自獨(dú)立地意識(shí)到，這個(gè)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(gè)名稱就這樣流傳了下來。

在維爾切克意識(shí)到佩切伊-奎因理論意味著某種新粒子的存在時(shí)，他就知道用上“軸子”這個(gè)名字的機(jī)會(huì)來了。

到目前為止，我們還沒找到軸子存在的任何證據(jù)，無論是直接的還是間接的。而且，佩切伊-奎因理論也沒有預(yù)測(cè)這種粒子的質(zhì)量，尋找起來就更加困難了。這個(gè)理論只預(yù)言了軸子的性質(zhì)怪異，且極少與尋常物質(zhì)發(fā)生相互作用。理論物理學(xué)家已經(jīng)構(gòu)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(zhì)量弱相互作用粒子成為填充宇宙、連接星系的暗物質(zhì)。雖然軸子并不是大質(zhì)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(xué)家的需要，那么這些假想中的暗物質(zhì)軸子的質(zhì)量必須小于一個(gè)電子伏特的千分之一——電子伏特是物理學(xué)家偏愛的質(zhì)量和能量單位。（相較之下，在你智能手機(jī)中翩翩起舞的電子，單個(gè)質(zhì)量就相當(dāng)于50萬個(gè)電子伏特。）軸子在質(zhì)量上的不足就只能用數(shù)量來彌補(bǔ)。

這樣一來，能夠充當(dāng)宇宙暗物質(zhì)的這類軸子運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)變得很慢，豐度也很稀薄，沒法被Xenon合作項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)裝置探測(cè)到。

不過，格蘭迪博士說，太陽內(nèi)部的核反應(yīng)也同樣能產(chǎn)生軸子，并且這些“太陽軸子”的能量足以讓氙探測(cè)器最敏感的部分發(fā)出電脈沖信號(hào)。

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

科學(xué)家目前還開展了其他一些旨在直接探測(cè)宇宙暗物質(zhì)軸子的實(shí)驗(yàn)。華盛頓大學(xué)開展的軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)就是一例，這個(gè)實(shí)驗(yàn)用一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)來探測(cè)軸子，如果成功，就會(huì)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(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)（CERN Axion Solar Telescope，CAST）也在尋找來自太陽的軸子。

另一個(gè)麻煩

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

正常來說，在探測(cè)器得到的異常數(shù)據(jù)中，中微子不會(huì)有多大貢獻(xiàn)，但如果它們帶有一種物理學(xué)家稱為“磁矩”的內(nèi)凜磁場(chǎng)，那情況就大不一樣了。磁矩會(huì)大大提高中微子與氙發(fā)生相互作用的概率進(jìn)而影響探測(cè)器的讀數(shù)。按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)說法，中微子應(yīng)該是電中性的，不帶磁場(chǎng)。如果中微子確實(shí)擁有磁場(chǎng)，那么與它有關(guān)的一切物理規(guī)律都要重寫。

魏納博士說，那可是件“很大很大的事”，因?yàn)槟且馕吨行禄A(chǔ)粒子等待我們發(fā)現(xiàn)——那就是全新的物理學(xué)了。

然而，魏納博士等人（其中包括Xenon合作項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)自己）警告說，無論這個(gè)信號(hào)是軸子還是中微子，都與現(xiàn)在的天文觀測(cè)結(jié)果相抵觸。

像白矮星這樣的死亡恒星已經(jīng)耗盡了自己的核燃料。隨著時(shí)間的推移，它們會(huì)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(huì)快過天文學(xué)家們現(xiàn)在觀測(cè)到的結(jié)果。魏納博士稱這個(gè)問題為他和其他理論物理學(xué)家將通過頭腦風(fēng)暴思索答案的“大麻煩”。

氚則是另一個(gè)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(shù)氚都是宇宙射線與大氣層發(fā)生相互作用產(chǎn)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(cè)量結(jié)果異常的原因，那么造成這種讀數(shù)變化所需的氚含量大概是“每千克氙中3個(gè)氚原子，這個(gè)數(shù)低得令人難以置信”。他還表示，如果不是有氙探測(cè)器這么靈敏的儀器，這么低的氚含量幾乎不可能探測(cè)到。

格蘭迪博士坦承，氚可能的確是測(cè)量結(jié)果異常的原因，而且氚污染可能只是未來在設(shè)計(jì)探測(cè)器時(shí)需要考慮并校正的細(xì)節(jié)之一。

“不過，想想這些的確有可能是真實(shí)存在的信號(hào)，我們當(dāng)然很是興奮?！备裉m迪博士說。

他補(bǔ)充說：“它的背后是超越了標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)，所以當(dāng)然是個(gè)大新聞。我覺得這肯定是個(gè)重要發(fā)現(xiàn)?！?/p>

格蘭迪博士現(xiàn)在身處意大利北部，迫切希望回到格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室，并且開始推動(dòng)下一階段的Xenon合作項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。

而艾普里勒博士則會(huì)在幾周內(nèi)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(cè)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(dòng)一把，”格蘭迪博士說，“現(xiàn)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