暗物質搜索實驗數據異常,可能找到假想粒子「軸子」!

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 18 日 18:41 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


物理學遊戲規則要改變了嗎?科學家在一項搜索暗物質的物理實驗中宣布,我們可能真的找到了「軸子」:一種超出粒子物理學模型之外的假想粒子,可以解釋一些被歸因於暗物質的怪異現象。

軸子(axion)是理論物理學家於 1970 年代首次提出的假想次原子粒子,原用來解決 CP 守恆問題,後來科學家認為,如果軸子具有一定質量,則數十億年前產生的軸子可以解釋我們歸因於暗物質的宇宙怪異現象。

暗物質與暗能量占了宇宙構成約 95%,然而性質未知,它們不會反射或發出任何可檢測到的光,行蹤成謎。為了解開暗物質真面目,科學家展開不少暗物質搜索實驗,其中一項稱為「XENON1T」計畫,於 2016~2018 間在義大利國家天文物理研究所(NIAF)格蘭薩索國家實驗室進行。

該計畫的實驗儀器裝有 1 噸超純液化氙氣,做為氙原子與其他粒子相互作用之「目標」,當粒子穿過目標時,就會產生微小的閃光和來自氙原子的自由電子,科學家想利用液態氙做為靶材去探測理論中的大質量弱相互作用粒子(Weakly Interacting Massive Particle,WIMP)──暗物質第一候選人。然而觀察過去相互作用的結果,通常都是我們已經知道的粒子,比如介子、宇宙射線和微中子等。

讓人興奮的是,在最新數據分析中,科學家發現了一些出乎意料的事情:原本預期粒子與氙原子相互作用下應該產生 232 個反衝電子,然而實際上發現了 285 個,超過預期 3.5 個標準差,科學家不知過量的反衝電子從哪來。

▲ XENON1T 儀器設備。

不管撞到原子的是什麼,初步分析表明都不會是大質量弱相互作用粒子,研究團隊目前有 3 種解釋,第一種解釋平淡無奇:訊號干擾,可能有少量的放射性氚(tritium)跑進探測器,影響了實驗觀測結果。

第 2 種可能是來自太陽的軸子,雖然後來一些科學家排除軸子是暗物質粒子,但軸子可以幫忙解釋一些被歸類為暗物質造成的奇怪現象,如果真的是軸子,這將是科學家首度檢測到這種假想粒子,同時表明其他假想粒子更可能是暗物質人選。

第 3 種則可能是微中子,雖然它們無所不在、又很少與其他物質發生相互作用,但若此次數據的異常來自微中子與氙原子相互作用,則表明它們的磁矩比粒子物理學標準模型預測的還要大很多(10 億倍),這將需要新的物理學解釋。

就可能性而言,目前軸子勝率最高,該實驗的下一階段稱為「XENONnT」,其液態氙氣容量將是「XENON1T」之 3 倍,且背景干擾更少,也許很快就能確認只是背景污染,又或者真是超越已知物理學的新粒子 / 相互作用。

論文預印本可先上《ArXiv》閱覽。

(圖片來源:Kavli IPMU

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