尋找神秘未知粒子的“芳蹤”_風聞

天文學觀測表明，宇宙總能量密度的約26%是由暗物質組成的。暗物質的證據都來自於引力的觀測，比如星系的旋轉曲線、引力透鏡效應等。對於暗物質粒子的性質，我們至今一無所知。暗物質的粒子模型有很多，研究最多的模型有大質量弱相互作用粒子和軸子/類軸子粒子模型。下面就説説軸子/類軸子和相關的探測實驗。

軸子/類軸子暗物質

説到軸子，就不得不先介紹量子色動力學中一個懸而未決的謎題——強CP問題（C：電荷共軛，P：宇稱）。簡而言之，就是為何弱相互作用可以違反CP對稱，出現CP破壞，而強相互作用理論上也預期存在CP破壞而實驗上卻一直沒有發現？

1977年，佩奇（R. D. Peccie）和奎恩（H. R. Quinn）為解決這一難題提出了一種新的對稱性，以他們的名字命名，即PQ對稱性。次年，温伯格（S. Weinberg）和維爾切克（F. Wilczek）分別獨立發現，PQ對稱性意味着可能存在一種非常特別的基本粒子，維爾切克給它取名“軸子（Axion）”，據説靈感來自一種Axion牌洗衣粉，因為軸子的引入可以“清除”一個物理謎題。

軸子粒子質量輕（約為電子質量的千億分之一甚至更輕）、不帶電、沒有量子自旋、壽命長、相互作用微弱，但數量可以很大。雖然軸子是為了解決粒子物理問題而提出來的，但是研究發現它們和宇宙中的暗物質所要求的屬性高度吻合，軸子也因此成為一種理想的暗物質候選體！近年來軸子的搜尋研究引起了越來越多的關注。

軸子的質量和表徵相互作用強度的耦合係數成反比，只有一個參數是自由的。推廣的類軸子粒子是一種相互作用形式相同，但質量和耦合係數都是自由參數的粒子，它們同樣可以作為暗物質粒子的候選體。

有意思的是，在一些更為基本的理論如弦理論中，極輕的類軸子粒子也被普遍預言存在。可以説軸子或類軸子粒子建立起了粒子物理、宇宙學、天體物理等領域的廣泛聯繫，具有非常基礎和深遠的物理意義。

軸子的引入可以同時解決兩個未解之謎：強CP問題和暗物質問題。不過，“軸子是否存在”本身又成為一個新的未解之謎，破解謎題的當務之急便是找到它的“芳蹤”。發現軸子無疑將成為基礎物理學領域的一項偉大成就，全球各地的科學家們為搜尋軸子/類軸子想了很多巧妙的辦法。

軸子/類軸子實驗室探測

軸子和類軸子粒子最獨特的屬性是它可以通過普里馬科夫過程與光子在電磁場中相互轉化。藉助這一特性，科學家設計了多種實驗來搜尋軸子和類軸子粒子的蹤跡。下面着重介紹其中幾類比較有意思的實驗。

第一類叫微波諧振腔實驗，主要用於探測宇宙中的軸子或類軸子暗物質。宇宙中的軸子和類軸子粒子可以在超導磁鐵包圍着的微波諧振腔內轉化成低能的微波波段光子，微波光子經諧振腔放大進而被探測器探測到（圖1）。此類實驗中的典型代表是美國的“軸子暗物質實驗”（Axion Dark Matter Experiment, ADMX）。

圖1：微波諧振腔探測軸子和類軸子粒子示意圖。圖片來源：R. Battesti et al., Lect. Notes Phys. 741:199-237, 2008

第二類是利用X射線望遠鏡探測太陽產生的軸子/類軸子粒子。太陽中的核反應過程會產生很多種粒子，比如中微子，高能光子等，如果軸子和類軸子模型正確的話，也會產生軸子/類軸子粒子。太陽核心的温度達到千萬度，產生的軸子/類軸子具有很高的動能，它們轉換產生的光子能量在X射線波段，可以用X射線望遠鏡觀測（圖2）。該轉化過程可以在地磁場中發生，也可以在實驗室磁場中發生。這類實驗的代表是“歐洲核子中心軸子太陽望遠鏡”（CERN Axion Solar Telescope, CAST）。

圖2：利用X射線望遠鏡探測太陽產生的軸子和類軸子粒子。圖片來源：R. Battesti et al., Lect. Notes Phys. 741:199-237, 2008

第三類叫光子穿牆實驗。神話中的“茅山道士”能夠不着痕跡的穿牆過屋，來去無形，暗物質也有同樣的性質。我們普通人撞到牆上會“頭破血流”，原因是組成人體和牆的原子具有電磁相互作用。暗物質粒子（包括軸子/類軸子粒子）不存在電磁相互作用，所以可以輕而易舉地穿過厚厚的牆壁。而光子有電磁相互作用，無法穿過牆壁，所以我們看不到牆背面的物體。

那光子穿牆實驗又是怎麼回事呢？光子先在牆的左邊的電磁場中轉變成軸子，軸子穿過牆壁後再在牆後的電磁場中轉化成光子，光子通過兩次“變身”就能像“茅山道士”一樣穿牆而過了（圖3）。光子穿牆實驗的代表是德國的“任意輕粒子搜尋”（Any Light Particle Search, ALPS）實驗。

圖3：光子穿牆實驗示意圖。圖片來源：R. Battesti et al., Lect. Notes Phys. 741:199-237, 2008

軸子/類軸子的天文學探測

根據相同的原理，天文學家也可以通過觀測遙遠天體發出的光尋找軸子/類軸子粒子的蛛絲馬跡。

其中一類典型的實驗如圖四所示。遙遠天體發出的光會在其自身、宇宙空間和銀河系的磁場中和光子互相轉化，從而在原本的天體光譜中留下某些特殊的印記，比如光譜上的不規則振盪現象。通過測量這些天體發出的光，就可以搜尋軸子/類軸子粒子。常見的是通過對遙遠的活動星系核輻射的伽馬射線和X射線能譜觀測，比如可利用Fermi伽馬射線望遠鏡以及我國的“悟空”號暗物質粒子探測衞星（DAMPE）。

圖4：天文學上探測軸子/類軸子的示意圖。（圖片來源網絡）

基於這一思路，中國科學院紫金山天文台的一個科研團隊利用高能立體視野望遠鏡（H.E.S.S.）對銀河系內某些明亮的伽馬射線源的觀測結果，開展了光子-類軸子振盪信號的搜尋。雖然沒有發現明顯的光子-類軸子振盪信號，但是在較高的類軸子質量區域（~100 neV）對光子-類軸子耦合強度給出了迄今最強的限制（見圖5）。

圖5：利用H.E.S.S.對銀河系亮源的觀測所排除掉的類軸子粒子參數空間（黃色區域）和其他觀測結果的比較。

宇宙空間中也有一類“穿牆實驗”。這個“牆”不是由物質構成，而是由充斥於宇宙中的背景輻射構成。能量高於萬億電子伏特（TeV）的所謂甚高能伽馬射線在宇宙空間中傳播時，會被“背景光子牆”擋住，而無法到達探測器，這導致我們只能觀測到近鄰宇宙空間中的甚高能伽馬射線源。

如果存在軸子/類軸子粒子，那麼來自宇宙深處的甚高能伽馬射線就可以通過和軸子/類軸子的轉化，穿“牆”而過，被我們觀測到，從而極大地延伸了探測距離。有意思的是確實有一些TeV伽馬射線觀測結果表明宇宙空間似乎比通常認為的更透明，這或許就是軸子/類軸子粒子存在的跡象（擬合數據所需的參數空間見圖五淺藍色區間）。

寫在最後

利用天文觀測探測軸子/類軸子粒子的靈敏度取決於幾個關鍵因素：能量分辨率高、能段覆蓋寬、能譜測量準。我國目前在軌運行的DAMPE衞星、正在研製中的空間站高能宇宙輻射探測設施（HERD）以及正在四川稻城建設的高海拔宇宙線觀測站LHAASO將可以顯著地提高伽馬射線觀測的能譜分辨率和靈敏度，將明顯改進軸子/類軸子粒子搜尋的靈敏度。未來幾年也許是軸子/類軸子粒子搜尋的關鍵時期，能否找到這種神秘未知粒子的“芳蹤”，讓我們拭目以待。

來源：中國科學院紫金山天文台