物理学家苦寻40多年的新粒子再次梦碎:看太阳就觉得不对

澎湃新闻记者 虞涵棋

在过去的几个月里,一阵关于新粒子的热情曾在高能物理学界里飘荡。

热情起源于位于意大利格兰萨索的地下实验室,那里有着全球最灵敏的暗物质实验XENON1T(“氙一吨”)。

6月份,XENON1T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,由诺奖得主弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)命名。要知道,“标准模型”早已给人类已知的所有粒子都安排好了一个位置。一旦“标准模型”之外的轴子被确定存在,将是物理学界多年未有的重大突破。

就在几天前,维尔切克线上参与上海举行的第三届世界顶尖科学家论坛(WLF),仍满怀对轴子的期许:他认为短期内粒子物理领域最大的突破会出现暗物质方向上,而且很可能就是“轴子”。

然而,德国电子同步加速器(DESY)、西班牙巴塞罗那大学等团队联合近日发表在《物理评论快报》(PRL)上的一篇论文指出,他们对XENON1T实验数据的分析结果排除了轴子的可能性,主要根据在于和天文学观测结果不符。

研究人员对 “物理学家组织网”表示:“我们这项研究希望让学术界回归正轨,起初关于可能‘发现了轴子’的热情或许把实验和理论力量带向了死胡同。”

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。

我们知道,自然界有四大基本力,分别是引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。

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。

物理学家苦寻40多年的新粒子再次梦碎:看太阳就觉得不对

根据理论预测,太阳是个天然的轴子源。然而,它释放轴子的效率不会很高。

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。

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。

理论物理学家们提出,轴子贡献了这些难以解释的宇宙质量的一部分,可能就是暗物质。

意料之外的信号

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。

同国际上其他主流的暗物质团队一样,XENON采取的是守株待兔的思路: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。

一旦暗物质粒子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。

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?

XENON科学家们当时给出了三种可能的解释,其一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。

不过,其他更常规的可能性也无法被排除,例如是微量氚杂质产生的误差。

与天体物理现象的冲突

当意外的结果出现时,这个欧洲联合团队处于比较有利的分析优势。他们当时正在对各种天体物理的轴子释放效应进行全面调查。

因此,他们很快意识到如果要用轴子来解释XENON实验结果的话,那么相应的轴子属性会与恒星演化的观测结果形成强烈冲突。

简单来说,因为太阳的核心密度和温度在恒星算比较低的,按照相关理论模型,太阳产生轴子的效率不会高。

如果XENON实验的过剩信号是太阳轴子的话,那么其他类型的恒星就会如同强烈的“轴子灯塔”,从内核中以极大的速率释放能量,它们的演化过程也会被彻底改变。显然,这与过去的天文观测结果严重冲突了。

该团队在论文中不断强调轴子和天体物理学关联的重要性。他们相信,轴子的存在证据最终会出现在天体物理学观测中。

责任编辑:李跃群

校对:刘威

展开阅读全文

投稿时间:2020-11-17  最后更新:2020-11-19

标签:粒子   轴子   暗物质   太阳   物理学家   天体   相互作用   模型   信号   物质   多年   物理

1 2 3 4 5

上滑加载更多 ↓
推荐阅读:
更多:

本站资料均由网友自行发布提供,仅用于学习交流。如有版权问题,请联系我们,客服QQ:4156828  

© CopyRight 2008-2020 All Rights Reserved. Powered By www.Q578.com 闽ICP备11008920号

Top