軸子的暗示

一項實驗可能已經觀測到一種難以捉摸的新粒子

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軸子以洗衣粉命名,最初被提出是為了解決粒子物理學中的一個問題,它們是奇怪的生物。在大爆炸期間產生的軸子可能潛伏在我們周圍,構成了宇宙中 22% 的暗物質。其他軸子,在太陽內部新形成的,可能會穿過我們。根據三月份發表的一篇論文,義大利一項名為 PVLAS(利用雷射偏振真空)的實驗可能首次探測到了實驗室製造的軸子。

軸子被認為具有極低的質量——小於電子質量的百萬分之一——並且是電中性的。它們與其他粒子的相互作用非常弱,使得探測變得困難。但是物理學家預測,任何穿過磁場的光子中,會有極小一部分會轉變為軸子。(這就是預測太陽產生它們的方式。)事實上,義大利的實驗,位於萊尼亞羅國家實驗室,由 INFN 的埃米利奧·扎瓦蒂尼和喬瓦尼·坎塔託雷領導,在雷射束的行為中發現了軸子的證據。在穿過極強磁場來回 44,000 次後,光束的偏振旋轉了百萬分之十度。如果一些光子轉化為不可見的軸子,或者更準確地說,物理學家稱之為類軸子的粒子,那麼這種旋轉正是預期的指紋。

從其資料中,PVLAS 小組推斷出假定軸子的質量以及它們的相互作用強度。然而,令人困惑的是,結果與其他觀測結果相矛盾,並且不符合從天體物理學推匯出的約束。特別是,CERN 軸子太陽望遠鏡 (CAST) 在 2003 年運行了六個月,未能探測到任何來自太陽的軸子。這個結果似乎排除了很大一部分可能的質量和相互作用強度,包括 PVLAS 看到的數值。此外,如果軸子的相互作用強度像 PVLAS 指出的那樣強,它們應該會在恆星中大量產生,導致恆星衰老的速度比我們所知的快得多。


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佛羅里達大學和歐洲核子研究中心的軸子專家皮埃爾·西基維說,這些考慮“在人們接受 PVLAS 結果之前設定了相當高的門檻”。另一方面,他補充說,“這些人非常有能力,他們在這方面工作了很長時間。”據各方面說法,PVLAS 研究人員一直小心地排除可能混淆資料的效應;此外,在尚未發表的工作中,該小組還使用不同的雷射器獲得了符合一致性的結果。一些理論家已經提出了方法來協調 PVLAS 的結果與 CAST 和其他天體物理限制的結果。

只有進一步的實驗才能確定真相。如果 PVLAS 的結果是正確的,那麼軸子應該出現在一個被稱為“穿牆發光”的實驗中。想法是這樣的:雷射束穿過一個不透明牆壁的強磁場。光束中的一些光子被轉換為軸子,它們穿過牆壁。在另一側,另一個磁場誘導少量軸子轉換回光子,這些光子可以被檢測到。這樣一個實驗,使用一個大型、強磁體和靈敏的光子探測器,將在幾分鐘內令人信服地證實(或反駁)PVLAS 的結果。包括 PVLAS 團隊在內的研究小組正在準備進行該實驗。到今年年底,軸子可能會成為粒子動物園的一個可靠補充——或者回到物理學家最想要的名單上。

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