物理学家宣布潜在的暗物质突破

一组物理学家完成了可能是有史以来第一次探测到轴子的工作。

轴子是来自粒子物理标准模型(Standard Model Of Particle Physical)的未经证实的、假设的超轻粒子，该模型描述了亚原子粒子的行为。理论物理学家在20世纪70年代首次提出轴子的存在，是为了解决支配超强作用力的数学问题，超强作用力将称为夸克的粒子结合在一起。但自那以后，轴子成为对暗物质的流行解释，暗物质是一种神秘的物质，占宇宙质量的85%，但却不发光。

东京大学(University Of Tokyo)参与这项实验的物理学家凯·马滕斯(Kai Marten)表示，如果得到证实，可能已经检测到的轴子将无法修复强力中的不对称性，也无法解释宇宙中大部分缺失的质量。这些轴子似乎是从太阳流出的，它们的行为并不像物理学家认为充满星系周围光晕的“冷暗物质”。它们将是新在太阳内部产生的粒子，而那里的大部分冷暗物质似乎自早期宇宙以来数十亿年来一直没有改变。

而且根本不确定有没有检测到轴子。尽管进行了两年的数据收集，但与宣布发现新粒子所需的物理学要求相比，信号的暗示仍然很微弱。马滕斯告诉Live Science，随着时间的推移，随着更多的数据进入，信号的证据仍然有可能消失得无影无踪。

尽管如此，看起来肯定是有信号的。它出现在一个3.5吨(3.2公吨)的黑暗地下储罐里，里面装着3.5吨(3.2公吨)的液体氙气-这是意大利格兰萨索国家实验室的XENON1T实验。至少还有另外两种物理效应可以解释XENON1T数据。然而，研究人员测试了几种理论，发现从太阳流出的轴子是对他们的结果最有可能的解释。

截至上午10点，没有参与实验的物理学家还没有审查数据。美国东部时间今日(六月十七日)。在宣布之前，记者们听取了关于这一发现的简报，但没有提供关于这一发现的数据和论文。

新汉普郡大学(University Of New Hampshire)物理学家昌达·普雷斯科德·温斯坦(Chanda Prescod-Weinstein)在一封电子邮件中告诉Live Science，“如果这是事实，而且*是否*是一个大问题，这是自发现宇宙加速度以来，我所在的物理学领域最大的游戏规则改变者。”

(1998年发现的宇宙加速表明，宇宙不仅在膨胀，而且膨胀的速度也在加快。)

氙气合作观察黑暗的绝缘氙罐中的微小闪光-其中2016年至2018年运行的XENON1T是迄今最大的例子。

由于在地下屏蔽了大多数辐射源，只有少数粒子(包括暗物质)可能会进入储罐，并与储罐内液体中的原子发生碰撞，从而刺激这些闪光。这些闪光中的大多数很容易解释，物理学家已经知道与粒子相互作用的结果。尽管实验室有地下屏蔽，但各种各样的粒子都跑到了那里，并解释了氙气探测器所看到的大部分。氙气研究人员寻找“多余的”闪光，比你根据已知的粒子物理预测的更多的闪光，这可能暗示着新粒子的存在。

这是氙气探测器第一次真正探测到过剩，这是一种低能范围内的活动峰值，与物理学家在太阳轴子确实存在的情况下的预期相匹配。

到目前为止，氙气结果已经部分排除了另一种类型的暗物质候选，即“弱相互作用的大质量粒子”(WIMPS)。它没有在大多数WIMP产生的能量水平上检测到足够的闪光来支持它们的存在，有效地排除了大多数可能的WIMP变种。但是这些实验之前没有发现任何新粒子的证据。

俄勒冈大学(University Of Oregon)物理学家余田田(Tien-Tien Yu，音译)也没有参与氙气实验，他说：“尽管WIMP多年来一直是占主导地位的DM[暗物质]范式，但轴子存在的时间差不多，近年来寻找轴子的实验激增。”

因此，如果得到证实，轴子探测将与暗物质研究的最新进展(包括较早的氙气数据)非常吻合，这使得曾经流行的WIMP看起来像是遥遥无期。

她说：“如果这是真的，那将是令人兴奋的，但我对此表示怀疑，因为可能会有一些以前没有考虑过的背景来源。”(她补充说，如果不看到数据，也很难对其进行评估。)。

例如，一些放射源可能以模拟太阳轴子与液体氙气相互作用的预期模式的方式触发了XENON1T的传感器。

俞敏洪指出，之前也有未经证实的暗物质粒子发现的说法。氙气可能发现的“太阳轴子”似乎并不代表真正的冷暗物质(它可能起源于早期宇宙，而且是“冷的”)，而是在我们的太阳中产生的热轴子。

(马滕斯说这是真的，但太阳轴子-这仍然是以前从未被检测到的穿过宇宙的大质量粒子-在许多方面仍将被算作暗物质。不过，他承认，他们不会解释大量丢失的物质。)。

氙气合作本身对这种效应提出了三种可能的解释，它将其描述为在水箱内的低能量下发生的“过量”事件。

氙气说，对于他们所看到的过剩，最合适的确实是太阳轴子。他们对这一假设表示了“3.5西格玛”的信心。

马滕斯说，这意味着随机背景辐射产生信号的可能性约为万分之二，而不是太阳轴子本身。通常，只有当结果达到5西格玛显著性时，物理学家才会宣布“发现”一种新的粒子，这意味着信号由随机波动产生的可能性为350万。

XENON1T中可能存在未被检测到的放射性氚(氢气的一种版本，带有两个中子)，导致周围的液体闪闪发光。马滕斯说，氙气团队从一开始就努力避免这种噪音。尽管如此，他说，这里所讨论的微量氚是不可能完全筛选出来的。随着XENON1T现在被拆分，以建立一个更大的未来实验，不可能回去检查。

氚假说将数据拟合到3.2西格玛的置信水平。宾夕法尼亚州维拉诺瓦大学(Villanova University)的物理学家乔伊·尼尔森(Joey Neilsen)没有参与氙气研究，他说，这相当于随机波动产生信号的可能性约为700。

也有可能是中微子-来自太阳的微弱的已知粒子，也流经地球-与磁场的相互作用比预期的更强。如果这是真的，根据氙气合作小组的一份声明，中微子可以解释他们看到的信号。他们写道，这一假设还伴随着3.2西格玛的置信水平。

但是，俞敏洪指出，即使中微子解释了氙气的结果，粒子物理的标准模型也必须重新安排，以解释意想不到的中微子行为。

俞敏洪说，一个很有说服力的线索将表明是否应该认真对待太阳轴子假说：数据的季节性变化。

她说：“如果信号确实来自太阳轴子，那么由于太阳与地球的相对位置，人们会期待信号中的调制。”

当我们的行星离它运行的恒星越来越远时，太阳轴子流应该会减弱。俞敏洪说，随着地球离太阳越来越近，信号应该会变得更强。

马滕斯说，在XENON1T信号中看不到季节变化。信号太微弱了，而且实验进行的时间太短，只有两年，XENON1T不可能检测到它。

物理学家可能会将XENON1T的结果视为近期的初步结果。该团队说，即将到来的一项名为XENONnt的更大规模的氙气实验仍在意大利建设中，一旦完成，应该会提供更清晰的统计数据。美国和中国正在进行或正在建设的进一步实验将增加现有数据。

马滕斯说，一种希望是，当更灵敏的XENONnt探测器完成5年的运行后，季节性变化将从数据中出现。他说，这将有力地堆叠甲板，有利于太阳轴子。然后，所有的国际实验可能会将它们的原始氙气(利用全球供应量的很大一部分)结合在一起，建造一个30吨重的探测器。也许到那时，就有可能详细研究这个信号(如果它是真实的)，或者探测到其他暗粒子。

所以这些结果还只是初步的。尽管如此，普雷斯科德-温斯坦说，在宣布这一消息之前，物理学界已经有了大量的议论。

“如果这是真的，这是件大事，”她写道。“在没有时间检视结果和与同业讨论的情况下，我对评论数据的强弱犹豫不决。当然，我更喜欢5西格玛的结果！“。

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