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

来源:西贝网
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。

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  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?

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