軸子和暗物質被發現了？先別急_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-06-22 15:25
撰文 | 周宇峯
來源：中國科學院理論物理研究所
幾天前，國際暗物質探測實驗合作組Xenon-1T 發表了最新的實驗結果（預印本號：arXiv:2006.09721），文中顯示其測量到了一些超出預期的事例，可能與軸子或暗物質有關。一時間引起了各類媒體的廣泛關注，其中不乏“探測器發現潛在假想粒子“ 、”發現軸子的第一個直接證據“、”會是暗物質嗎？“ 等科普解讀文章。但這次實驗結果究竟意味着什麼？大家眾説紛紜。其實，只要仔細看過實驗組的論文摘要，便知這離真正的科學發現還有很長的一段距離。
Xenon-1T 的“發現”？
目前，大量的天文觀測數據支持這樣一種觀念：宇宙中物質的主要成份是一種不發光的暗物質，它不是我們所熟悉的任何一種物質。暗物質無處不在，填滿整個銀河系。但暗物質和常規物質即使有相互作用，也及其微弱，目前還沒有任何實驗直接探測到了暗物質。當然，人類不會停止探測暗物質的腳步，目前世界上有很多暗物質探測實驗，Xenon-1T 實驗就是其中的領跑者。
Xenon-1T，顧名思義，就是利用約一噸的液氙作為探測靶物質來探測暗物質。液氙是一種閃爍體，我們身邊飛過的暗物質粒子只要打在這一噸液氙中的任何一個氙原子上，就有可能發出閃光，光信號會被靈敏的儀器記錄下來。原子由原子核和外圍電子構成，因此暗物質可能打在原子核上，也可能打在電子上。兩種碰撞產生的關聯光信號區域有所不同。過去，Xenon-1T實驗組曾在暗物質與核子碰撞的區域內做過研究，但並沒有看到信號，因此這次他們想在暗物質與電子碰撞的信號區域裏試一下運氣。
這種實驗探測的難度是非常大的，主要是要克服放射性本底。所謂本底，就是大量常規的物理過程產生的乏味信號，它們通常會掩蓋真正的極其微弱的暗物質信號。如果説探測暗物質與原子核散射是海里撈針的話，那麼，探測暗物質與電子散射就是大泥漿裏撈針，遇到的本底要高得多，因此十分具有挑戰性。這次Xenon-1T就在這方面發起了新的衝擊，採用了更有效的本底去除辦法，實現了更低的殘留本底 (本底達到 76個事例/噸/年/keV)。經過一年的數據積累，他們測算出在指定信號區域（1-7keV）內的本底事例應該出現232個, 但最後實驗卻探測到了285個事例，一下子多出了53個事例！如果信號是來自一種叫“軸子”的理論預言的假想粒子，其統計置信度達到3.2 σ。也就是説，出現誤判的可能性約是千分之一！這是否算是一個重大“發現“呢？很可惜，還不能算是。“發現”一詞的使用在科學上是有嚴格要求的，一般要求置信度達到5σ，也就是出錯的可能性低於約三百萬分之一，才能稱之為“發現”。因此，從置信度上看，離真正的“發現“還為時尚早，只能稱之為“跡象”。
也許只是本底？
儘管這次Xenon-1T實驗本底控制得非常出色，本底究竟是否是232個還是要打個問號的。前面説過，探測暗物質與電子散射就是大泥漿裏撈針，遇到的放射性本底要高得多。雖然探測儀器已經放在地下1400米的意大利LNGS深地實驗室以避免宇宙射線的干擾，仍然存在許多可能的放射性本底。比如容器材料裏滲透出來的氡氣的衰變產物，液氙裏殘留的氪，容器材料自身的放射性，太陽中微子，氙的幾個放射性同位素等。研究發現氫的放射性同位素氚有可能是一個沒考慮到的本底，而且可以產生類似的事例信號。氚可以來自液氙在進入地下之前被宇宙線轟擊產生，實驗容器上的附着含氚的水（HTO）和氣體（HT）。由於氚的半衰期是12.5 年，如果有的話，很難短時間衰變掉。雖然從理論上講可能性很小，但的確，沒有證據顯示不存在。所以實驗組在論文中也實話實説：“我們不能確認是否在實驗數據採集期間有氚的存在“。
太陽軸子？
“軸子”是為解釋粒子物理中強相互作用中的電荷共軛-宇稱反演破缺（CP破缺）問題而引入的一種理論上的假想粒子。軸子如果存在，可以很好的解釋宇宙為何主要由物質組成，反物質難尋蹤跡。這種粒子儘管受到了物理學家們的廣泛關注和研究，但目前尚未被實驗探測到。軸子不一定是暗物質粒子，但滿足適當的條件後也是非常好的暗物質粒子候選者。太陽中的核反應可以產生軸子，因此很多實驗瞄準探測來自太陽的軸子。Xenon-1T也具備探測軸子的能力，此次測量的事例的能譜可以被太陽產生的軸子很好的擬合，置信度是3.2 σ。然而， 這裏也存在一些問題。一方面，擬合得出的軸子與電子的耦合強度比從其他觀測如星體冷卻得出的耦合強度大一千倍，存在明顯的矛盾。另一方面，如果考慮可能存在的氚污染，則在最保守的情況下，置信度降低為2.1 σ，相應的誤判率高達百分之三。在這麼低的置信水平下，如果仍然相信是發現了軸子，在科學上是不嚴謹的。
結論是什麼？
在對本底沒有把握的情況下，一般只能給出最保守的結論。真正可靠的結論是：該實驗在一定範圍內給出了對一些暗物質模型的強有力限制，這是目前唯一站得住腳的結論。對科學家而言，這個實驗結果最值得讚賞的地方是實現了Xenon-1T有史以來最好的暗物質電子碰撞參數區間的本底控制，展示了該實驗組的能力和潛力。對公眾而言，這也許算不上重大的科學發現，但這才是真正的科學“乾貨“。
最後，讓我們期待Xenon-1T實驗組的進一步探測為我們帶來更多有關軸子和暗物質的訊息！
本文經授權轉載自微信公眾號“中國科學院理論物理研究所”。