一項雄心勃勃的超級計算機計算給尋找“軸子”（被認為是暗物質主要候選者的假設粒子）的物理學家帶來了好壞參半的訊息。
結果表明，如果軸子存在，它的質量可能至少比之前認為的重十倍。如果這是真的，那麼這將為如何找到該粒子提供有用的線索。但這也表明，一個尋找軸子二十年的實驗可能不太可能找到它，因為該探測器旨在尋找較輕的版本。
軸子在 1977 年被假設為解決強核力（將原子核中的粒子結合在一起的力）如何影響反物質和物質的悖論的潛在解決方案。（它將解釋一種意想不到的對稱性，即這種力對物質和反物質產生相同的影響。）但研究人員也認為，軸子可能是暗物質的組成部分之一，暗物質是被認為構成宇宙質量約 85% 的隱形物質。因此，如果這種粒子存在，它將同時解決兩個問題。
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在黑暗中尋找
物理學家正在拼命尋找構成暗物質的奇異粒子，這種物質只是透過它對星系的引力間接地被發現的。但到目前為止，每一個旨在尋找暗物質成分的實驗都一無所獲或產生了有爭議的結果。大多數此類實驗都試圖探測或產生所謂的弱相互作用大質量粒子，或 WIMP。
軸子暗物質實驗 (ADMX) 一直在領導另一種解釋：軸子。該實驗由一個金屬圓筒組成，該圓筒使用強磁場，理論上應該將一些軸子轉化為可在無線電波頻譜中檢測到的光子。它於 1996 年在加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開始，並於 2010 年轉移到西雅圖的華盛頓大學。
佛羅里達大學蓋恩斯維爾分校的理論物理學家皮埃爾·西基維說，早期的計算表明，軸子的質量應該在 5 微電子伏特 (µeV) 左右，大約比電子輕 1000 億倍。因此，他和他的合作者將 ADMX 設計為對該範圍內的質量最敏感。
但在 11 月 2 日發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，德國伍珀塔爾大學的理論物理學家佐爾坦·福多和他的合作者報告了一項大型複雜計算的結果，該計算表明，在某些假設下，軸子的質量最有可能落在 50 到 1,500 µeV 之間。這將使其超出 ADMX 的範圍，ADMX 目前對大約 0.5 µeV 到 40 µeV 之間的質量敏感。“我認為這對 ADMX 來說不是好訊息，”福多說。
關於暴脹的問題
該團隊使用德國尤利希超級計算中心的超級計算機來模擬大爆炸後瞬間基本粒子的產生，追溯到溫度飆升至萬億度以上的時期，比之前的模擬高出十倍。那時，如果軸子存在，就會大量產生。為了達到這個目的，該團隊不得不開發加速計算的技術，否則可能需要數百萬年才能完成，福多說。
該模擬允許該團隊計算軸子的質量，前提是假設它是暴脹之後產生的——暴脹是宇宙以指數速度膨脹的短暫時期。在軸子在暴脹之前產生的情況下，該團隊計算了粒子形成的方式，但無法推斷出它的質量。
華盛頓大學的實驗物理學家、ADMX 的負責人萊斯利·羅森伯格說，這篇論文是“一項偉大的成就”。“我向這些人致敬。”他承認，如果暴脹後情景是正確的，那麼該團隊的結果可能意味著他的實驗不會檢測到任何東西。但他補充說，在暴脹前的情況下，福多團隊發現的結果實際上可能使更輕的質量更合理，並使其正好處於 ADMX 的“最佳位置”。
另一個在韓國大田軸子和精密物理研究中心建造的探測器可能對更高的質量敏感，擬議的 MADMAX 實驗也是如此，該實驗最初是由《自然》論文的一位合著者提出的。
羅馬薩皮恩扎大學的理論物理學家吉多·馬丁內利同意，現在完全否定 ADMX 的尋找工作還為時過早。他說，研究人員不確定暴脹前還是暴脹後這兩種情景哪種更合理。此外，他認為，即使在暴脹後情景中，該團隊的結果也不是結論性的。“他們的一些假設有點草率，”他說。“其他小組肯定有必要驗證這些結果。”
本文經許可轉載，並於 2016 年 11 月 2 日首次發表。