见识一下暗物质中的黑马——神秘粒子

根据本周发表的两篇科学评论，一种行为类似波的微小粒子作为暗物质的解释正在逐渐被接受。

被称为轴子的理论粒子可能是科学家解释暗物质的最佳选择——暗物质是一种难以捉摸的物质，占宇宙中所有物质的 85%，几乎不与我们的“常规”物质相互作用。两篇新评论展示了这种粒子近年来如何从亚军一跃成为众人瞩目的焦点。报告称，围绕暗物质的理论已经发展到使这些粒子更具说服力。他们还探讨了科学家如何能够探测轴子。这两篇报告本周均发表在《科学进展》上。

如果轴子是暗物质，那么“现在就有轴子穿过你”，但你没有注意到，因为它们几乎不相互作用，英国杜伦大学物理学家、理论评论作者 Francesca Chadha-Day 说。她还参与了轴子探测器合作项目 TOORAD 的工作。

她说，十年前她开始研究轴子时，它们更像是一种边缘暗物质候选者。自那以后，它们变得更加突出，很大程度上是因为她说“大型强子对撞机或任何暗物质探测器”几十年来都未能找到暗物质的首选解释，即所谓的弱相互作用大质量粒子 (WIMPS)。

两者都是理论上难以发现的亚原子粒子。那么轴子和 WIMPS 之间有什么区别呢？

华盛顿大学轴子暗物质实验 (ADMX) 的物理学家兼发言人 Gray Rybka 表示，WIMPS 更加实质性——它们是巨大、沉重的中性粒子，有点像重原子的中心，但他没有参与这两项评论。

相比之下，轴子的质量较小，甚至比已知最轻的粒子中微子还要轻。由于质量如此之轻，它们的行为十分奇怪。

Chadha-Day 说：“轴子的有趣之处在于，轴子暗物质的行为更像是一种覆盖整个宇宙的场”，而不是四处移动的单个粒子。

每个物体都具有所谓的波粒二象性，即物体在某种程度上像波，在某种程度上像粒子。例如，像电子这样微小的物体可以像粒子一样运动——在空间中穿梭并像台球一样与其他粒子碰撞。但它也可以像波一样运动——与其他波结合，并且不会在某个时间的某个地方明确存在。但物体越重，这种效应就越不明显——它越像粒子。作为这种波动性的一部分，轴子应该与光发生微弱的相互作用，并且在被磁场包围时也是如此。如果轴子存在，它们可以转换成光子（光的粒子），光子也可以再转换成轴子。

雷布卡说，这篇理论评论“很好地总结了人们的思考方向”。雷布卡说，几十年前，人们提出了 WIMPS 和轴子来解释暗物质。它们并不是暗物质的唯一候选者，但却是最突出的。

“当时，社区大多青睐 WIMPS”，因为利用现有技术更容易寻找它们，Rybka 说道。在寻找 WIMPS 三十年却一无所获之后，“有些人对这个想法感到厌倦了。”

弦理论预测轴子应该存在，作为解决宇宙中物质和反物质平衡难题的答案。

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人们对轴子兴趣日益浓厚的部分原因是研究人员现在拥有了寻找轴子的技术。里布卡说，“关于如何建立一个寻找轴子的实验的想法层出不穷”。在过去的几年里，科学家们已经从设计实验来探测这种粒子，发展到“在我们认为很有可能发现的地方进行搜索”。

到目前为止，像 ADMX 这样的实验已经尝试通过建造一个具有强磁场且大小特定的腔体来探测轴子，这样它就能与一定质量的轴子产生共振。这有点像两种不同大小的乐器——小提琴和大提琴——在拾取高音或低音的不同环境声音时会发出嗡嗡声。Chadha-Day 表示，这种共振会导致腔体中更多的轴子变成光子，而极其灵敏的探测器会拾取它们。

ADMX 仅对可能质量范围较窄的轴子敏感。不过，Chadha-Day 表示，实验人员已经想出巧妙的方法来制造能够探测更大范围轴子质量的探测器。她说，这很重要，因为“宇宙没有理由对我们友善”并使轴子成为易于搜索的质量。

天文学家还可以通过观察两个存在磁场的关键位置（星系团和中子星）从太空观察轴子。轴子会改变落入星系中心黑洞的物质发出的光谱。它们还会导致中子星发出比预期更多的无线电频率光。

如果这些正在进行和即将进行的实验没有在科学家预期的地方发现轴子，理论家们将不得不重新开始。但如果检测到轴子，Rybka 表示，“我们最终会知道暗物质是什么。”

更正，2022 年 2 月 28 日：本文的先前版本指出 Chadha-Day 领导了轴子理论审查。她是第一作者，但不是主要作者。