上週，當意大利一家實驗室的科學家宣佈，他們探測器中意外的閃爍可能來自長期尋求的亞原子粒子，即軸子時，他們的同事們持謹慎樂觀的態度：在物理學中，聲稱探測到新粒子的說法通常會隨著研究人員收集更多資料而變得無關緊要。而且，對於這些閃爍還有其他更平凡的解釋。相反，許多物理學家認為，軸子存在的理論依據令人信服。這種假想粒子是暗物質的主要候選者之一，暗物質是構成物質宇宙大部分的神秘物質。證實軸子是真實存在的將是粒子物理學的一項突破，並且這項發現將對我們理解宇宙的組成和歷史產生深遠的影響。
軸子的故事始於 20 世紀 70 年代，當時物理學家在發展標準模型（描述已知粒子及其相互作用的框架）時，注意到強核力的一些奇怪之處，強核力將夸克結合在一起，形成原子核內的質子和中子。這種力以某種方式調節中子的結構，使其完全對稱。換句話說，雖然中子是中性的，但其內部的夸克帶有電荷——出於未知的原因，這種電荷分佈得非常均勻（至少在十億分之一以內，根據最新的測量）。用粒子物理學的語言來說，中子被稱為具有電荷宇稱 (CP) 對稱性：將其所有電荷從正到負反轉，同時在鏡子中觀察其行為，將不會產生明顯的效應。粒子為什麼具有這種排列的問題被稱為“強 CP 問題”。
然後，在 1977 年，當時都在斯坦福大學的海倫·奎因和已故的羅伯託·佩切伊提出了一個解決方案：可能存在一個迄今未知的場，它瀰漫整個空間並抑制中子的不對稱性。後來，理論物理學家弗蘭克·維爾切克和史蒂文·溫伯格推斷，如果對標準模型進行調整以允許存在這樣一個場，那將意味著存在一種新的粒子，被稱為軸子。（維爾切克從一種洗衣粉品牌中獲得了這個名字的靈感。）軸子將沒有量子力學的“自旋”，使其成為玻色子。它的質量雖然不為零，但會非常小。
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儘管軸子的重量非常小，但它們的存在數量非常龐大，物理學家很快意識到它們可以解釋宇宙中“缺失”的大部分質量：早在 20 世紀 30 年代的 天文觀測表明，可見物質——星系、恆星、行星等等——僅佔宇宙中所有物質總質量的不到六分之一，其餘部分由暗物質構成。自那時以來，暗物質的性質一直是激烈爭論的主題。
“軸子實際上是一個非常好的暗物質候選者，”斯坦福大學的彼得·格雷厄姆說。除了宇宙中應該充斥著這種粒子的預期之外，軸子自然會是“暗的”，這意味著它們幾乎不與普通物質相互作用。“宇宙喜歡產生軸子，”格雷厄姆說，“並且它喜歡以一種它們會像我們知道存在的冷暗物質那樣行動的方式產生它們。”
“冷”是一個重要的限定條件：研究人員據稱在義大利格蘭薩索國家實驗室的 XENON1T 實驗中探測到的軸子可能是在我們的太陽內部產生的。它們將具有高能量，因此不太可能是暗物質的組成部分。暗物質軸子必須是緩慢移動的，或者說是冷的，這樣它們才能聚集在一起，以引力方式引導星系的演化——正如人們認為暗物質所做的那樣。理論家懷疑，這種軸子可能是在早期宇宙中產生的。此外，由於被認為產生冷軸子的過程可能與宇宙早期的快速膨脹有關——一種被稱為暴脹的非凡的尺寸膨脹——因此，發現並進一步研究這些難以捉摸的粒子可能有助於物理學家理解大爆炸之後最初的時刻。格雷厄姆說，雖然軸子的發現不會證明暴脹發生過，但它將為了解那個時代的物理學提供寶貴的線索。“對我來說，這就是軸子令人興奮的地方，”他補充道。
然而，科學家們正在謹慎地做出反應——包括 XENON1T 團隊的科學家。他們唯一確定的是，他們在實驗核心的巨大液氙容器中看到了數量驚人的電子“反衝”。是什麼使電子躍遷仍然存在爭議。如果被稱為中微子的亞原子粒子具有不可預見的磁特性，那麼這種排列可能解釋觀察到的結果。或者，更平凡的解釋可能是：氙可能僅僅是被氚汙染了——氚是氫的一種較重形式，其天然輻射可能會混淆 XENON1T 看到的訊號。此外，與異常訊號相關的置信水平僅為“3.5 西格瑪”——這意味著“訊號”實際上只是噪聲的可能性為 5000 分之一，是統計波動而不是真正的新物理學的產物。這些機率聽起來可能不錯，但遠低於傳統上與粒子物理學中的合法發現相關的百萬分之 3.5，或“5 西格瑪”標準。
除了積累更多資料和升級他們的實驗外，XENON1T 研究人員還將尋找表觀訊號的任何年度變化。太陽軸子應該會導致該訊號隨著地球繞太陽執行而波動。與此同時，來自華盛頓大學的軸子暗物質實驗 (ADMX) 或位於日內瓦附近 CERN 的被稱為 CAST（CERN 軸子太陽望遠鏡）的實驗可能會提供佐證。ADMX 已經成功地對軸子的質量施加了新的約束，而 CAST 自 2003 年以來一直在尋找太陽軸子。
馬薩諸塞理工學院的維爾切克說，如果軸子被證明是真實的，那將是“理論物理學的勝利——做出了這種美學論證，然後大自然說，‘是的，沒錯’”，他因其在強核力方面的理論工作而成為 2004 年諾貝爾物理學獎的共同獲得者。他說，軸子的存在將指向超出標準模型的新物理學——這是他和他的同事們幾十年來一直在期待的事情。維爾切克建議，可以建造新型天線來尋找早期宇宙中產生的軸子。如果這些軸子能夠被成功測量，它“將開啟天文學的新篇章”，他補充說，因為粒子的行為可以揭示星系形成和“可能其他令人驚訝的事情”。
雖然這樣的發展很可能獲得諾貝爾獎，但維爾切克並沒有在他的書架上為第二枚獎章清理空間。但他說，如果另一個諾貝爾獎向他走來，他“不會拒絕”。