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全球最靈敏暗物質實驗宣布發現意外:或是新粒子

來源:中投投資咨詢網 2020-06-22 11:47中投投資咨詢網 A-A+

  北京時間6月18日凌晨,位于意大利格蘭薩索地下實驗室的全球最靈敏暗物質實驗XENON1T(“氙一噸”)宣布觀測到了來源不明的意外結果,可能是一種被稱作“軸子”(Axion)的新粒子。軸子在1977年被物理學家預言存在,是一種超出粒子物理標準模型的存在,由諾獎得主弗蘭克·維爾切克(FrankWilczek)命名。

  不過,XENON國際合作組織并未排除其他更常規的可能性,例如是微量氚雜質產生的誤差。

  XENON實驗

  為什么暗物質探測實驗沒有發現暗物質,反而冒出來一個“軸子”?

  什么是軸子?

  43年前,“軸子”假說的提出是為了深入解釋現代物理中的對稱性問題。

  1956年李政道、楊振寧與吳健雄等人提出并在實驗上驗證了宇稱P在弱相互作用中不守恒。后來人們發現弱相互作用中正反粒子共軛(C)與宇稱(P)的聯合變換CP也不守恒。C變換即將一個粒子變成它的反粒子,P變換即空間坐標反演。

  那么,強相互作用中CP變換守不守恒呢?

  1977年,諾獎得主史蒂文·溫伯格(StevenWeinberg)和維爾切克提出了軸子模型。在解決強CP問題的方案之中,軸子最為自然,也最為優雅,引起了眾多關注。

  根據模型,軸子是一種質量很小的粒子,可能只有電子質量的萬億分之一。它與其他物質相互作用極其微弱,因此很難通過對撞機等高能物理實驗裝置尋找。

  不過,同樣根據理論,軸子與光子在強電磁場中會相互轉化。太陽因此應是一個天然軸子源。

  位于高能物理圣地——歐洲核子中心的“太陽軸子望遠鏡”(CAST)就利用加速器磁鐵將理論上存在的軸子轉化為光子,從而探測是否有源自太陽的軸子流存在。

  暗物質候選人?

  有趣的是,為了解決粒子物理理論問題而提出的軸子模型,也可能破解天體物理學家苦苦尋覓的暗物質謎團。雖然它并非暗物質最主流的候選人,但也無法排除。

  所謂暗物質,指的是它不與光相互作用,無法被“看”到,但它的存在切切實實地影響到了可見物質的運動,從星系到宇宙學尺度上的觀測均可驗證。

  比如,我們所在的太陽系圍繞銀河系中心旋轉的實際速度,明顯快于基于牛頓引力定律的計算結果。這意味著,銀河系中存在大量不可見的神秘物質提供了額外的引力。若非如此,太陽系早該被“甩”出去才是。這些不可見的物質,質量應該高達宇宙中物質總量的85%,遠遠大于我們認知的物質。

  之前最主流的模型,是一種被稱為弱相互作用大質量粒子(WIMP)的粒子。它參與引力和弱核力,質量相對較大。根據計算預測,每分每秒都有無數暗物質粒子穿透地球。

  因此,XENON實驗、中國四川錦屏山地下隧道里的PandaX實驗、美國南達科他州廢棄金礦下的LUX實驗,都采取了守株待兔的思路:囤積數以噸計的液氙,等待與暗物質粒子進行一次“電光石火”的碰撞。

  一旦WIMPs與其中一個氙原子發生了碰撞,其沖能就會轉化為光電信號,被探測器中靈敏的光電管記錄下來。實驗室設立在千米深的地下,是為了更好地屏蔽外界的噪音。

  多出來的53個信號

  雖然模型很受歡迎,但WIMPs存在的概率越來越渺茫。

  在國際上各個團隊的合作競爭中,液氙實驗的精確度不斷被刷新,排除的范圍越來越大,提出的限制越來越高,人類仍是一無所獲。這意味著,留給WIMPs的理論存在空間越來越狹窄。

  上一個對WIMPs質量提出最新限制的實驗組,正是XENON1T。

  XENON國際合作組織由來自10個國家(地區)、28個研究機構的163名研究人員組成,主要分布在歐、美、日。

  雖然名字叫“氙一噸”,但該實驗目前實際用到了3.2噸超純液氙,其中2噸用于被撞。

  當然,科學家們考慮到了會有已知的常規粒子闖入其中。他們預期這些粒子會產生232個信號。

  沒想到,最終實驗出現了285個信號。既然不符合WIMPs的特征,這多出來的53個,從何而來?

  3種可能性

  在當日舉行的在線研討會上,XENON科學家們給出了三種可能的解釋。相關論文也同時上傳到預印本網站ArXiv上。

  第一,也是最“正常”、沒有新物理的一種,是探測器里混入了微量氫的同位素氚(一個氚原子由一個質子和兩個中子構成)。事實上,只要每10^25(1000000000000000000000000!)個液氙原子混入幾個氚原子,就能造成這53個多余事件。目前,尚無測量結果能證實或排除這一點。

  第二,也是最令人興奮的一種,就是太陽軸子產生了光電信號。雖然這些由太陽產生的軸子不可能是宇宙暗物質的來源,但證明新粒子的存在本身就是重磅發現。

  第三,就是另一種質量非常小、每時每刻都在大量穿透地球的粒子——中微子。不過,如果要產生這個量級的多余信號,中微子需要具備此前未知的一些物理屬性。因此,這個可能性也包含新物理因素。

  上述三種可能性的顯著性都很可觀,從信號能譜等信息來看,與太陽肘子模型最為吻合。不過,XENON國際合作組織強調現有證據尚不足以下結論。

  隨著未來“氙一噸”升級成“氙幾噸”(XENONnT),液氙規模增加2倍,背景噪音也會進一步壓低,實驗才可能給出最終的答案:是數據波動,是雜質污染,還是激動人心的新物理?

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