此次发现的轴子有可能来自太阳
一组科学家可能首次发现了轴子。轴子是一种未经确认，存在于假设中的超轻粒子，这种粒子不存在于粒子物理学的标准模型之中，这个模型描述了亚原子粒子的状态。理论物理学家首次在上世纪70年代为了解决强相互作用力（这种作用力将夸克基本粒子结合起来组成质子等强子）存在的数学问题提出了轴子的存在，但是，自从轴子被提出之后，这种基本粒子就成为占据85%宇宙质量却不会发光的暗物质的一种流行解释。
即使轴子的存在被确认了，也不能完全肯定轴子能否修正强相互作用力中的不对称性。同样，它们也不能解释为什么宇宙中大部分质量的消失，东京大学物理学家Kaiser Martens说道。这些轴子，虽然看起来像是从太阳中流出来的，但是它们并不像科学家认为的“冷暗物质”一样填补星系周围的光环。它们是新进入太阳内部的粒子，而自从宇宙诞生的数十亿年以来，大部分的冷暗物质都没有发生任何改变。
尽管物理学界已经收集了两年的数据，但是还不能确定有没有检测到轴子。因为目前所获得的信号强度，与能够让科学界宣布发现新粒子的信号强度相比还是很微弱。但随着时间的推移，越来越多的数据也会被收集到，Martens告诉《Live Science》，能够证明轴子存在的信号强度消失为零的可能性仍然存在。
但确实似乎有一个信号在位于意大利格兰萨索国家实验室的XENON1T被发现，这是一个装满3.5吨（3.2公吨）液氙的地下避光实验装置。XENON1T的数据可以至少被两个物理现象所解释。但是，之后研究人员根据实验数据测试了几种理论，发现这是从太阳中流出来的轴子的可能性最大。
因为实验数据在今天（6月17日）美国东部时间10：00公布，没有参加实验的研究人员还未对数据进行审核工作。在实验数据宣布之前，已经向记者概述了这一发现，但是关于实验的数据和文件还未公开。
《Live Science》与两位轴子研究专家共同撰写了XENON 合作的新闻稿。
“如果这一点能够被证明，况且‘如果’还是个大问题，那么这将是自发现宇宙正在加速膨胀以来在我所在的物理学领域最大的改变。”新罕布什尔大学物理学家Chanda Prescod-Weinstein在一封电子邮件中告诉《Live Science》，他并不是这项合作的参与者。（宇宙加速膨胀在1998年被发现，这表述了宇宙不仅在膨胀，而且膨胀的速率还在加速。）XENON协作观察在绝缘避光液氙罐中的微弱闪光，其中，最明显的案例是在2016-2018年间运行的XENON1T。
因为地层将大多数辐射源隔绝开来，只有少数颗粒（包括暗物质）才可能进入位于地下的液氙罐并与罐中的原子碰撞，从而发出闪光。其中，大多数的闪光非常容易解释，因为这些闪光是由物理学家已经知道的粒子之间的相互作用产生的结果。尽管实验室处于地下，有着地层作为屏蔽，但是各种粒子还是能穿透地层从而被XENON检测到。XENON的研究人员正在寻找“多余”的闪光，这些闪光的数量比已知的粒子物理学所预测的闪光要更多，从而暗示新粒子存在的可能性。
这是XENON第一次检测到过量的闪光，这种在低能量范围内的活动峰值是符合物理学家对于太阳轴子存在的预测的。现在，XENON的结果已经排除了另一类暗物质的可能性，及“弱相互作用的大颗粒”（WIMPS）。XENON并未在大多数WIMP所能产生的能量水平上检测到足够的闪光来支持它们的存在，从而排除了大多数WIMP种类。但是实验在以前还没有发现任何能够支持新粒子的证据。
“尽管WIMP多年以来一直是发现的暗物质的大头，但寻找轴子的时间已经很久了。在近些年，寻找轴子的实验数量急剧增加。” 俄勒冈大学的物理学家Tien-Tien Yu说道，但他并未参加XENON实验。所以，如果得到证实，轴子的检测将符合暗物质研究的最新发展（包括以前的XENON数据），从而使得之前流行的WIMPS如同长曝光照片一样。
但是，Yu告诉《Live Science》，这并不能令人信服。“如果这是真的，那将令人兴奋，但是因为可能会有一些之前从未考虑过的背景辐射来源导致我对这个实验结果表示怀疑。”Yu说（她补充道：同时也很难在不查看数据的情况下来评价数据）。
譬如说，某些放射源可以使XENON1T的传感器跳闸，从而模拟预期中的太阳轴子和液氙的相互作用。Yu指出，以前有一些没有被证实的暗物质粒子被发现。此次XENON探测到的太阳轴子可能并不是真正的冷暗物质（起源于早期宇宙并“冷却”），而是太阳中产生的热轴子。
（Martens认为这是真的，但是在许多方面，太阳轴子虽然是从未被发现的大量存在于宇宙中，如同鬼影一般的粒子，但它还是被视为暗物质。但是Martens承认它们的存在并不能解释为什么宇宙中有如此巨大的质量缺失。）
此次XENON协作本身针对液氙管中出现“过多”的低能量时间现象提出了三种可能的解释，XENON认为，其中最符合他们看到的过多现象的解释是那确实是太阳轴子。他们认为这个假设表示出了“西格玛3.5”的置信区间。Martens认为，这意味着随机背景辐射产生的信号中只有万分之二的概率不是太阳轴子本身。通常，物理学家只会在结果的显著性达到了西格玛5的时候宣布“发现”新粒子，这意味着信号产生随机波动的概率为350万分之一。
虽然其他的潜在结果可能不太令人信服，但是仍然值得认真对待。XENON1T中可能有着没有被检测到的放射性氚（氢气的一种，原子核内有两个中子），从而导致周围的夜里闪烁。从一开始，XENON团队就已经致力于减少放射性氚引起的噪声，Martens说道。但是，依然有微量的氚不能被完全屏蔽掉。再加上XENON1T现在正在参与一个规模更大的实验，所以回溯实验是不可能的。
宾夕法尼亚州维拉诺瓦大学的物理学家Joey Neilsen指出，氚假设的数据拟合的置信区间在西格玛3.2左右，这意味着随机波动产生信号的概率约为700分之一。他并未参与XENON的研究。同样，中微子（一种来自太阳并会流过地球的微弱已知粒子）也可能会和磁场发生比预期更强烈的相互作用。根据XENON协作的声明，中微子理论也可以解释他们所看到的信号，而这个假设的置信区间为西格玛3.2。
Yu指出，即使XENON的结果可以通过中微子理论来解释，粒子物理学的标准模型也必须被重置来解释这种意想不到的中微子行为。一个有说服力的线索可以暗示是否应该认真对待太阳轴子的假说，那就是数据的季节性变化。她说：“如果这个信号确实是由太阳轴子产生，那么随着太阳与地球的相对位置的变化，产生的信号也会随之变化。”
随着我们的星球与恒星的距离越来越远，太阳轴子的流量将减弱。“随着地球离太阳的距离变近”，Yu说到，“信号的强度则会增加”。Martens说，在目前的XENON1T的信号中并未发现季节性变化。信号强度过于微弱和只有两年的实验运行时间使得XENON1T难以察觉这种变化。物理学家们可能将会把这次XENON1T的结果视为近期的初步结果。研究小组指出，一个即将完成的、更大的XENON实验将被称为XENONnt，这个实验装置仍在意大利进行建设中，完成后将会提供更加清晰的统计数据。美国和中国也在进行进一步的实验，这些实验数据将会补充现有数据。
Martens说，希望在XENONnt探测器完成5年运行后，在其收集的数据中可以发现季节性变化。他说到，如果这样将会使实验结论更加偏向于太阳轴子。在此之后，所有国际实验室将可以把他们的原始氙气（从全球供应中抽取相当一部分）整合到一起来建造一个30吨的探测器。也许这样就可以详细研究此信号（如果这是真实的）或者用来探测其他的暗物质粒子。
因此，这些结果仍然是初步的。但是尽管如此，Prescod-Weinstein说，在宣布这一消息之前，物理学界已经有很多质疑声了。“能够证明这一点是很重要的”她写道，“我对这种没有时间检查结果并与同行讨论就对数据的强度进行评价的行为是持保留态度的。当然，我希望结果是西格玛5。”
作者：Rafi Letzter
翻译：李晟恺
审校：潘燕婷
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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