一个想象粒子的“寻宝游戏”科学技能创新国际潮

  暗能量与暗物质被称为“21世纪初物理学天空的两朵乌云”，但中国科学院高能物理研讨所研讨员高宇和暨南大学理工学院教授杨峤立在承受科技日报记者正常采访时，不谋而合地指出，通过多年探究，物理学家开端意识到，被称为轴子的想象粒子，不只可解说暗物质和强效果的根本对称性问题，还可解说暗能量乃至正反物质不平衡之谜。

  鉴于轴子身负破解多个国际学疑团的重担，查找轴子的“寻宝游戏”也在国际多地如火如荼地展开。

  1977年，物理学家弗朗克·维尔切克的一次日常漫步，永久改动了一些科学家探究的脚步。

  在那次漫步中，他萌生了两个主意。一是后来被称为希格斯玻色子的理论粒子怎么与其他粒子相互效果；二是想象使用轴子作为强电荷宇称（CP）这一理论物理学问题的处理计划。

  高宇解说说：“维尔切克所称的‘轴子’，是依据理论物理学家为处理量子色动力学中的对称性理论所预言的新根本粒子。‘轴子’的英文名是个文字游戏：AXI-ON=轴+粒子，维尔切克其时觉得一个同名的洗涤剂商标很合适描绘该粒子的性质，所以取了这一个姓名。”

  研讨人员指出，轴子假如存在，将恪守量子力学的古怪规矩，这在某种程度上预示着它们既可所以波，又可所以粒子。作为粒子，其质量将十分低，约是电子质量的10-11—10-9倍。其微观波长乃至和星系的宽度适当，长达3000光年。

  科学家引进轴子，本质上是期望它很弱，然后表征出极弱的CP破缺。这导致轴子质量很小，并且理论上简直不与其他粒子相互效果，而这一点反倒让轴子成为了暗物质研讨的抱负候选者，由于这些特性刚好与暗物质千篇一律。

  “暗物质之所所以暗的，便是它们简直不好光发生相互效果，既不反射光线，也不发生光线，这和轴子的弱小相互效果的特性刚好符合。”杨峤立说。

  前期国际中充满着很多能量。跟着国际不断冷却，轴子场开端振动，以脉动光和热的方式开释能量，这些振动带着的单位体积内的包括的能量就像暗物质相同演化。

  杨峤立解说说：“当轴子的质量十分轻的时分，国际的年纪乃至有或许小于轴子场振动一次需求的时刻，轴子因而可被看作是一种暗能量。如此一来，国际越胀大，轴子场的能量越大，就可推进国际不断持续胀大。”

  轴子还有望为国际中别的两个疑团供给线索。首先是哈勃常数危机。科学家把对国际微波布景的丈量成果与当时的国际学规范模型结合在一起得出的哈勃常数，一直显着低于依据Ia型超新星和其他天体物理学符号所取得的观测成果。科学家猜测，假如前期国际中存在某些相似轴子的粒子，它们可改动依据国际微波布景的猜测，然后消除哈勃常数危机。

  其次是正反物质不平衡之谜。国际诞生时，应该发生了数量相同的正反物质，它们互相相遇后本应当即湮灭，但事实上物质占有了主导地位。2020年发表于《物理谈论快报》上的一篇文章指出，在国际大爆炸之初，轴子场的运动可发生正反物质不平衡，使演化至今的国际中物质远远多于反物质，因而万物或起源于轴子场。

  鉴于轴子简直不与其他粒子相互效果，且质量极低，因而勘探轴子极具挑战性，但一些“猎捕”举动现已敞开。

  现在最大的试验是美国华盛顿大学的轴子暗物质试验（ADMX），其方针是使用磁场捕捉衰变为光子的轴子。从理论上来说，国际中的轴子能够在超导磁铁包围着的微波谐振腔内转化成低能的微波光子，微波光子经谐振腔扩大从而被勘探器勘探到。

  欧洲核子研讨中心的“轴子太阳望远镜”则另辟蹊径，使用X射线望远镜勘探太阳发生的轴子。太阳中的核反应进程会发生中微子、高能光子等多种粒子，也或许会发生轴子，并且发生的轴子动能极高，其转化发生的光子能量在X射线波段，可用X射线望远镜观测到。

  此外，轴子—光子振动可改动悠远星体的能谱形状，在我国的硬X射线米口径球面射电望远镜、引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星、高海拔国际线观测站等高精度或高能量地理观测中或能捕捉到其“蛛丝马迹”。

  近几年来，各种新式小试验也层出不穷，这些试验使用了轴子质量范围很广的特色。英国谢菲尔德大学名为“躲藏区量子传感”的新试验将于2024年发动。与其他轴子查找试验比较，该试验可在挨近绝对零度的温度下运转，这将使试验根本上处于量子状况，因而有望比其他试验更活络。

  杨峤立说，日趋老练的轴子尚有广大的参数空间有待探究。美国麻省理工学院和耶鲁大学、意大利国家核物理研讨院、韩国轴子和精细物理中心等国际一流大学和科研机构都在活跃展开相关研讨。

  高宇和杨峤立都以为，以ADMX为代表的共振腔试验技能使国际上呈现了暗物质轴子的搜索热潮。现在国内已具有赶超国际领先水平的试验条件，许多勘探计划如自旋磁丈量和多种共振腔正在活跃推进中，其间一些是国内自主提出的原创性计划。

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