轴子会是我们寻找暗物质的最佳选择吗？

子弹星系团（Bullet Cluster）的合成图像。子弹星系团由一对迎面碰撞的星系团组成，得到了广泛的研究，并被认为是暗物质存在的有力证据。其中一个星系团穿过另一个，就像子弹穿过苹果一样，可能显示出暗物质（蓝色）与炽热气体（粉色）分离的明显迹象。

1933年，天文学家首次推断宇宙中存在某种看不见的物质，后来，这些“丢失的质量”被称为暗物质。自此之后，暗物质一直是全世界天文学家和物理学家追逐的神秘对象。尽管有理论认为暗物质占宇宙中所有物质的85%，但这些看不见的物质究竟是由什么组成的，仍然是一个谜。

什么是轴子？

一些研究人员认为，暗物质实际上可能是一种名为“轴子”的奇怪粒子。这是一种假想的基本粒子，具有极微小的质量和能量。轴子最初于1977年提出，用来解决粒子物理学中所谓的“强CP问题”——为什么CP在量子色动力学中不被破坏？

这是一个长期悬而未决的疑难问题。CP是粒子物理学中两个对称运算的乘积：C对称即电荷对称，量子操作为电荷共轭运算，可以将一个带电荷粒子转化为其反粒子；P是宇称，宇称运算会造成一个物理系统的镜像。在强相互作用和电磁作用中，CP转化运算对整个物理系统不产生任何影响，即CP对称；但在一定的弱相互作用中，这个对称会被微小地打破（CP破坏）。对CP破坏的研究至今仍然是理论物理学和实验物理学中非常活跃的领域。

在CP对称中，如果一个粒子与它的反粒子交换，或者当它被倒置或成为镜像时，涉及的物理定律应当是相同的。在量子色动力学中，强相互作用可能会导致CP破坏，但科学家从未观察到这种破坏。

欧洲核子研究中心（负责运行大型强子对撞机的机构）的粒子物理学家约翰·埃利斯说：“我们已经知道，这种CP对称区分了粒子和反粒子。我们也知道，弱相互作用中会出现CP破坏。这是一个谜，为什么在强相互作用中没有违反这种对称？”自轴子被提出以来，埃利斯就一直从事这方面的研究。

1977年，研究者提出了标准模型的一个扩展，在这个扩展中，强相互作用不会破坏CP对称，“这个理论预测了轴子的存在”。2020年，一个物理学团队发现了轴子存在的第一个直接证据，使得这种假想粒子更具合理性，也引起了科学界对轴子的兴趣，同时进一步支持了轴子可能是暗物质最佳候选粒子的观点。

“暗物质占宇宙中物质的绝大部分，而我们不知道它究竟是什么。在所有科学中最突出的问题之一，便是‘什么是暗物质？’”新研究的第一作者、美国加州大学伯克利分校物理学助理教授本杰明·萨夫迪在一份声明中说，“我们猜测这是一种未知的新粒子，而轴子可能就是这种粒子。它可能在大爆炸中大量产生，并漂浮在宇宙中，可以解释天体物理学已经取得的观察结果。”

放弃WIMP？

暗物质“毛发”。一些研究人员认为，暗物质以这种“网状”的模式分布在整个宇宙中。

在2月23日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的两篇综述中，研究人员描述了轴子如何成为暗物质的主要候选粒子，以及物理学家将如何更深入地研究这种粒子，或许还将解释暗物质之谜。

到目前为止，在众多可能组成暗物质的候选成分中，一直处于领先地位的当属“大质量弱相互作用粒子”（weakly interacting massive particles，简称WIMP）。WIMP是一个很笼统的术语，描述的是一种仍然停留在理论阶段的假想粒子，只通过弱核力和引力与普通物质发生非常微弱的相互作用。据预测，WIMP的质量是质子的1到1000倍。

然而，尽管WIMP是最有希望的暗物质候选成分，在过去的几年里，WIMP并没有出现在大型强子对撞机中，也没有出现在对暗物质的直接搜索中。因此，随着WIMP逐渐失去作为暗物质候选粒子的光环。

我们能否捕获轴子？

随着对WIMP的研究陷入僵局，研究人员开始探索可以采取哪些步骤来确认轴子的存在，并进一步确定它是否可能是暗物质。研究人员在综述中提出，他们有可能最终“捕获”轴子，并通过预测其质量来确认其存在。

在这两篇综述中，研究人员提出了物理学家可以采用的几种不同的方法，既可以预测轴子的质量，也可以将其作为暗物质的候选者进行研究。这些方法包括使用光晕仪（haloscope），这种仪器可以“观察来自银晕的微波光子信号”。（星系晕是星系周围一个巨大的球形空间区域，其范围超出了可见物质的范围。）

研究人员预计，在这样的实验中，轴子会在微波空腔中转换成电磁波，尽管这种情况会非常罕见。理论上，这种电磁波是能够被探测到的。

研究人员还提出了物理学家们目前正在使用，并可能用于寻找轴子的其他方法，包括使用地面望远镜，例如使用欧洲核子研究中心的轴子太阳望远镜（CAST）来探测太阳核心产生的轴子，甚至发现中子星磁层中的轴子——在那里它们可能会转换为光子，并留下明显的光谱特征。

寻找质量

在这两篇综述中，研究人员探索了可以让科学家探测轴子的前沿技术，而目前较流行的轴子探测技术之一，便是尝试在微波空腔中探测电磁波。

不过，在2月25日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的另一项新研究中，研究人员使用美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算机——目前世界上最大的超级计算机之一——模拟了轴子的产生过程。

在该团队的模拟中，轴子几乎就在大爆炸后立即产生；他们还将宇宙中暗物质的总质量和产生的轴子总数考虑在内，从而估计出轴子的可能质量。模拟结果显示，轴子的质量是理论物理学家预期的两倍多，达到40到180μeV（大致相当于一个电子质量的100亿分之一）。

研究小组还发现，轴子可以产生比预期更高频率的电磁波，而该频率超出了实验中通常用于探测轴子电磁波的范围，在这些轴子实验中，模拟程序不知道应该调到哪个频率，因此必须扫描许多不同的可能性。

对于模拟的结果，研究人员形容早期宇宙中的轴子可能表现得就像“从野马上摔下来的骑手”。