一個物理學家團隊取得了可能是首次探測到軸子的成果。
軸子是未經證實的、假設的超輕粒子，來自粒子物理學標準模型之外，該模型描述了亞原子粒子的行為。理論物理學家在1970年代首次提出軸子的存在，以解決控制強力的數學問題，強力將稱為夸克的粒子結合在一起。但此後，軸子已成為暗物質的流行解釋，暗物質是構成宇宙質量85%的神秘物質，但不發光。
如果得到證實，尚不確定這些軸子是否真的能解決強力中的不對稱性。東京大學物理學家、參與該實驗的 Kai Martens 說，它們也無法解釋宇宙中大部分缺失的質量。這些似乎從太陽中流出的軸子，其行為不像物理學家認為填充星系暈圈的“冷暗物質”。而且它們將是在太陽內部新產生的粒子，而大部分外部的冷暗物質似乎自宇宙早期以來已經存在了數十億年，一直沒有改變。*
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而且也不確定是否真的探測到了軸子。儘管收集了兩年的資料，但與物理學宣佈發現新粒子所需的結果相比，訊號的跡象仍然微弱。Martens 告訴 Live Science，隨著時間的推移，隨著更多資料的到來，訊號的證據仍然有可能消失殆盡。
儘管如此，看起來確實有訊號。它出現在義大利格蘭薩索國家實驗室的 XENON1T 實驗中，這是一個黑暗的地下罐中，裝有 3.5 噸（3.2 公噸）液態氙。至少還有兩種物理效應可以解釋 XENON1T 資料。然而，研究人員測試了幾種理論，發現從我們的太陽中流出的軸子是對他們結果最可能的解釋。
在今天美國東部時間上午 10 點（6 月 17 日）宣佈之前，未參與該實驗的物理學家尚未審查資料。記者在宣佈之前聽取了關於這一發現的簡報，但有關該發現的資料和論文尚未公開。
Live Science 與兩位軸子專家分享了 XENON 合作的媒體稿。
“如果這得到證實，並且 *如果* 是一個大問題，那麼這是我物理學領域自宇宙加速發現以來最大的遊戲規則改變者，”新罕布什爾大學的物理學家 Chanda Prescod-Weinstein 在一封電子郵件中告訴 Live Science，她不是該合作組織的成員。
（1998 年宇宙加速的發現表明，宇宙不僅在膨脹，而且膨脹速度還在加快。）
XENON 合作組織觀察黑暗、絕緣的氙罐中微小的閃光——其中 XENON1T 是迄今為止最大的例子，它在 2016 年至 2018 年間執行。
在地下遮蔽了大多數輻射源的情況下，只有少數粒子（包括暗物質）可能會進入罐中並與內部液體中的原子碰撞，從而激發這些閃光。大多數閃光都很容易解釋，是與物理學家已經知道的粒子的相互作用的結果。儘管實驗室有地下遮蔽，但各種粒子仍然會到達那裡，並解釋了 XENON 探測器看到的大部分內容。XENON 研究人員尋找“過量”閃光，即比您根據已知的粒子物理學預測的閃光更多的閃光，這可能表明存在新粒子。
這是 XENON 探測器首次實際檢測到過量，即低能量範圍內活動激增，這與物理學家如果太陽軸子確實存在時的預期相符。
到目前為止，XENON 的結果已經部分排除了另一種暗物質候選者，“弱相互作用大質量粒子”（WIMP）。它沒有檢測到足夠多的閃光，能量水平達到大多數 WIMP 會產生的水平來支援它們的存在，從而有效地排除了大多數可能的 WIMP 變體。但是，實驗以前沒有發現任何新粒子的證據。
“儘管 WIMP 多年來一直是主要的 DM [暗物質] 範例，但軸子也存在了大約同樣長的時間，並且近年來尋找軸子的實驗激增，”俄勒岡大學的物理學家 Tien-Tien Yu 說，她也沒有參與 XENON 實驗。
因此，如果得到證實，軸子探測將與暗物質研究的最新進展（包括較早的 XENON 資料）完美契合，這些進展使曾經流行的 WIMP 看起來希望渺茫。
然而，Yu 告訴 Live Science，僅憑這一點並不令人信服。
“如果這是真的，那將令人興奮，但我持懷疑態度，因為可能存在一些以前未考慮到的背景來源，”她說。（她補充說，在沒有看到資料的情況下也很難評估資料。）
例如，某些放射源可能以模仿太陽軸子與液態氙相互作用的預期模式的方式觸發了 XENON1T 的感測器。
Yu 指出，以前曾有過未經證實的暗物質粒子發現的說法。而 XENON 可能發現的“太陽軸子”似乎並不代表真正的冷暗物質（它應該起源於早期宇宙並且是“冷的”），而是我們太陽中產生的熱軸子。
（Martens 說這是真的，但太陽軸子——它仍然是以前從未探測到的、在宇宙中幽靈般穿行的大質量粒子——在許多方面仍然可以算作暗物質。但他承認，它們無法解釋大部分缺失的質量。）
XENON 合作組織本身為這種效應提出了三種可能的解釋，他們將其描述為罐內低能量事件的“過量”。
XENON 說，他們看到的過量的最佳擬合確實是太陽軸子。他們對該假設表達了“3.5 西格瑪”的置信度。
Martens 說，這意味著，隨機背景輻射產生訊號而不是太陽軸子本身的機率約為 2/10,000。通常，只有當結果達到 5 西格瑪顯著性時，物理學家才會宣佈“發現”新粒子，這意味著訊號是由隨機波動產生的機率為 1/350 萬。
他們考慮的其他可能性不太令人信服，但仍然值得認真對待。
XENON1T 中可能存在未被探測到的放射性氚（一種氫的版本，帶有兩個中子）的痕跡，導致周圍的液體閃爍。Martens 說，XENON 團隊從一開始就努力避免這種噪音。不過，他說，這裡有問題的微量氚將不可能完全遮蔽掉。而且隨著 XENON1T 現在被拆除以構建更大的未來實驗，不可能再回去檢查。
氚假設與資料的擬合置信度為 3.2 西格瑪。賓夕法尼亞州維拉諾瓦大學的物理學家 Joey Neilsen 沒有參與 XENON 實驗，他說這相當於隨機波動產生訊號的機率約為 1/700。
還有一種可能性是，中微子——來自太陽的微弱的已知粒子，也穿過地球——與磁場的相互作用比預期的更強。根據 XENON 合作組織的一份宣告，如果這是真的，中微子可以解釋他們看到的訊號。他們寫道，這個假設也具有 3.2 西格瑪的置信度。
但 Yu 指出，即使中微子解釋了 XENON 的結果，也必須重新排列粒子物理學的標準模型才能解釋意想不到的中微子行為。
Yu 說，一個明顯的線索可以表明是否應該認真對待太陽軸子假設：資料中的季節性變化。
她說：“如果訊號確實來自太陽軸子，人們會期望由於太陽相對於地球的位置而導致訊號發生調製。”
隨著我們的星球離它繞行的恆星越來越遠，太陽軸子流應該會減弱。Yu 說，隨著地球離太陽越來越近，訊號應該會變得更強。
Martens 說，在 XENON1T 訊號中看不到季節性變化。對於 XENON1T 來說，訊號太微弱了，而且實驗執行時間太短，只有兩年，無法捕捉到它。
物理學家可能會在近期內將 XENON1T 的結果視為初步結果。該團隊表示，即將到來的、更大的 XENON 實驗稱為 XENONnt，仍在義大利建設中，一旦完成，應該會提供更清晰的統計資料。在美國和中國正在進行或正在建設中的進一步實驗將增加現有資料。
Martens 說，一個希望是，當更靈敏的 XENONnt 探測器完成其 5 年執行後，季節性變化將從資料中顯現出來。他說，這將強烈地支援太陽軸子。然後，所有國際實驗可能會結合他們的原始氙氣（利用全球供應的很大一部分）來建造一個 30 噸的探測器。也許到那時，就有可能詳細研究這個訊號（如果它是真實的）或探測其他暗粒子。
因此，這些結果仍然是初步的。儘管如此，Prescod-Weinstein 說，在宣佈之前，物理學界已經有很多議論。
“如果這得到證實，那將是一件大事，”她寫道。“在沒有時間檢查結果並與同行討論的情況下，我猶豫是否要評論資料的強度。當然，我更希望看到 5 西格瑪的結果！”
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* 編者注（2020 年 6 月 17 日）：我們在 Live Science 的合作伙伴在釋出後編輯了本段，以反映 Kai Martens 的澄清。 Martens 說，雖然太陽軸子可能無法解決強力中的不對稱性，但它們也可能解決這種不對稱性。