来自意大利深山之中的信号是否预示着物理学的一场革命？

Xenon合作项目在意大利格兰萨索国家实验室中的暗物质探测器

这可能是一把打开宇宙奥秘之门的钥匙，但也可能只是令人恼怒的背景噪音，又一个需要在未来实验中校正的项目。

一个正在搜寻暗物质的科学家团队记录到了可疑电脉冲信号，信号源头是安放在意大利一处深山之中的一大桶液态氙（Xenon）。他们现在并没有对外宣称发现了暗物质，或者与之相关的任何事物。不过，他们表示，这些信号或许会刷新我们对宇宙的认识。

科学家表示，如果这个信号确实真实存在并且一直持续下去，那就有可能证明太阳喷发出的物质中包含一种叫作“轴子”的亚原子粒子。很早之前就有理论预言了轴子的存在，并且认为这种粒子为保证自然对称性起到了至关重要的作用，但到目前为止还没有任何有力证据能证明轴子的确存在。

Xenon合作项目负责人、主攻方向为暗物质的科学家埃琳娜•艾普里勒

“如果这个信号与暗物质无关，却在不经意间发现了新粒子，那也意义非凡。”旨在搜寻暗物质的Xenon合作项目负责人、哥伦比亚大学的埃琳娜 • 艾普里勒（Elena Aprile）说。

该合作项目研究团队在一份声明中称，发现轴子会“深刻影响我们对基础物理学和天体物理学现象的认识”。

不过，这个信号还有其他解释。这群科学家发现的可能不是轴子，而是一种叫作“中微子”的“神出鬼没”的粒子。这个信号反映的可能是中微子的一种我们之前并不知晓的新性质。此外，还有一种可能性差不太多的解释是：它们的探测器被极少量氚污染了——氚是氢的一种放射性同位素，数量极少。

又或者，这个信号完全只是数据统计中的自然涨落现象，随着数据的累积会自行消失。艾普里勒博士团队的成员们坦承，他们现在对这个信号的最好解释——也就是发现了轴子——有万分之二的概率是巧合，但在粒子物理学中，确证某个“发现”所需的准确度是“5西格玛”——所容许的误差连百万分之一都不到。

“我们非常想要明确的是，目前我们报道的一切都只是一种异常（相当显著的异常）观测现象，而不是任何形式的发现。”芝加哥大学的埃文 • 肖克利（Even Shockley）在一封电子邮件中如是写道。

提出轴子概念的第一批物理学家之一、麻省理工学院的诺贝尔物理学奖得主弗兰克 • 维尔切克（Frank Wilczek）则特别提到了Xenon合作项目团队自己在论文中写到的低调忠告。不过，他也说：“这肯定是个很有吸引力的话题，整个物理学界都会对事情的进一步发展翘首以盼。”

其他科学家的回应则是兴奋中带着谨慎，或者谨慎中带着兴奋。

“听到这个消息，我努力让自己保持平静，但内心确实很难做到波澜不惊，”纽约大学粒子物理学家尼尔 • 魏纳（Neal Weiner）说，“如果这真的是轴子，那称这个发现改变了整个物理学的游戏规则，也毫不过分。”

洛杉矶科维理基金会的宇宙学家迈克尔 • 特纳（Michael Turner）称Xenon合作项目是一个“漂亮的实验”。

“我真的很想相信这是真的，但我觉得最后的结果八成会让我失望，”他说，“但就现在来说，我真的很兴奋，这毕竟可能是一项重要到我们所有人都会欢呼的全新发现。”

对大质量弱相互作用粒子的期待

暗物质是一种神秘物质，质量大概是寻常原子物质的5倍。据天文学家推算，暗物质占据了宇宙的绝大部分质量。为了发现并认证暗物质，我们做了一系列努力。这其中，艾普里勒博士的Xenon项目是目前规模最大、灵敏度最高的暗物质搜索行动。

在现代宇宙学中，暗物质就是能解释诸多宇宙现象的秘密武器。它们以不可见的云状形式聚集在一起，吸引寻常原子物质聚集成最后演变为恒星和星系的团块。

目前最合理的猜测是，暗物质由具有怪异性质的亚原子粒子云构成。这类奇异亚原子粒子是大爆炸的遗迹，我们通常称其为“大质量弱相互作用粒子”（WIMPs），质量上要比氢原子大千百倍。

Xenon合作项目的实施者是一个由来自28个机构和11个国家的163名科学家构成的跨国团队。艾普里勒博士和她的同事们在意大利格兰萨索国家实验室岩石下方约1.6公里的一个隧道内排布了一连串装有液态氙的大桶，桶上还安装了光电倍增管和其他感应器。把氙桶埋在地下深处，是为了屏蔽宇宙射线和其他日常的干扰。研究人员希望艾普里勒博士的这个装置能探测到大质量弱相互作用粒子与氙原子的碰撞（很少发生）。这种碰撞会引起闪光和电荷云。

然而，到目前为止，上述现象还没有出现过。

这个项目的最新版本Xenon1T，在2016—2018年之间用了2吨氙作为靶子。

芝加哥大学的卢卡 • 格兰迪（Luca Grandi）解释说，在最近对该实验的分析中，研究团队找到的是因碰撞而发生反冲的电子，而不是更重的氙原子核。这可能标志着有比假想中的大质量弱相互作用粒子轻得多的粒子撞击了氙。

模拟和计算表明，一年中，随机事件应该会造成大概232次这样的反冲现象。

然而，从2017年2月至2018年2月，探测器记录到了285次反冲，超过了预期值53次。

格兰迪博士在谈及测量结果时说：“一年前，我们注意到了这种反常现象，并且尝试了各种消除这种异常的方法。”

这个合作项目目前正处于最后一个阶段：准备一个规模更大、灵敏度更高的实验设备。由于意大利受新冠疫情影响采取了封锁措施，这个项目也被迫推迟，但有可能在今年年底重新启动。

格兰迪博士说，如果这个异常情况真实存在，那么在新设备启动后一两个月内就会出现。

因此，就现在来说，这三种可能——轴子、中微子或氚——都还没有排除，格兰迪博士如是说。

亚原子粒子

于是，轴子可能就要进入宇宙学的主舞台了。

轴子的故事开始于1977年。当时，加利福尼亚大学洛杉矶分校教授罗伯托 • 佩切伊（Roberto Peccei，2020年6月1日离世）以及斯坦福大学荣休教授海伦 • 奎因（Helen Quinn）对约束强核力的理论作了轻微修正，确保它与时间的方向无关——物理学家认为，这个特征是宇宙的必需。

维尔切克博士和德克萨斯大学奥斯丁分校的斯蒂文 • 温伯格（Steven Weinberg）各自独立地意识到，这个修正意味着一种新亚原子粒子的存在。维尔切克博士称其为轴子，这个名称就这样流传了下来。

掩埋在地下约1.37公里处的格兰萨索实验室是全球最大的地下研究中心

在维尔切克意识到佩切伊-奎因理论意味着某种新粒子的存在时，他就知道用上“轴子”这个名字的机会来了。

到目前为止，我们还没找到轴子存在的任何证据，无论是直接的还是间接的。而且，佩切伊-奎因理论也没有预测这种粒子的质量，寻找起来就更加困难了。这个理论只预言了轴子的性质怪异，且极少与寻常物质发生相互作用。理论物理学家已经构想了许多版本的轴子，它们能在宇宙中扮演不同角色，其中包括代替大质量弱相互作用粒子成为填充宇宙、连接星系的暗物质。虽然轴子并不是大质量弱相互作用粒子，但这两者之间有一些我们想象中的怪异能力，比如它们都能漂浮着穿透地球和我们的身体，就像烟穿过纱门一样。

然而，按照特纳博士的说法，如果要满足宇宙学家的需要，那么这些假想中的暗物质轴子的质量必须小于一个电子伏特的千分之一——电子伏特是物理学家偏爱的质量和能量单位。（相较之下，在你智能手机中翩翩起舞的电子，单个质量就相当于50万个电子伏特。）轴子在质量上的不足就只能用数量来弥补。

这样一来，能够充当宇宙暗物质的这类轴子运动速度就会变得很慢，丰度也很稀薄，没法被Xenon合作项目的实验装置探测到。

不过，格兰迪博士说，太阳内部的核反应也同样能产生轴子，并且这些“太阳轴子”的能量足以让氙探测器最敏感的部分发出电脉冲信号。

维尔切克博士说，虽然太阳轴子不可能是暗物质，但只有先证实它们确实存在，未来才有可能证明另一类轴子是暗物质。

科学家目前还开展了其他一些旨在直接探测宇宙暗物质轴子的实验。华盛顿大学开展的轴子暗物质实验就是一例，这个实验用一个强磁场来探测轴子，如果成功，就会看到轴子变成微波。此外，位于瑞士的欧洲核子研究中心开展的欧洲核子研究中心太阳轴子望远镜实验（CERN Axion Solar Telescope，CAST）也在寻找来自太阳的轴子。

另一个麻烦

另一种同样激动人心的可能（虽然可能性要稍小一些）是，Xenon合作项目发现的这个异常信号来自一种叫作“中微子”的微小粒子。我们已经证明，这种怪异粒子真实存在，并且以每秒几百万个的速度不断穿过我们的身体。

正常来说，在探测器得到的异常数据中，中微子不会有多大贡献，但如果它们带有一种物理学家称为“磁矩”的内凛磁场，那情况就大不一样了。磁矩会大大提高中微子与氙发生相互作用的概率进而影响探测器的读数。按照现在的标准说法，中微子应该是电中性的，不带磁场。如果中微子确实拥有磁场，那么与它有关的一切物理规律都要重写。

魏纳博士说，那可是件“很大很大的事”，因为那意味着有新基础粒子等待我们发现——那就是全新的物理学了。

然而，魏纳博士等人（其中包括Xenon合作项目研究团队自己）警告说，无论这个信号是轴子还是中微子，都与现在的天文观测结果相抵触。

像白矮星这样的死亡恒星已经耗尽了自己的核燃料。随着时间的推移，它们会把自己仅剩的能量也全部辐射出去，逐渐黯淡并冷却。魏纳博士指出，如果它们像太阳那样释放的是轴子或者带有磁矩的中微子，那么它们丢失能量、亮度下降的速度会快过天文学家们现在观测到的结果。魏纳博士称这个问题为他和其他理论物理学家将通过头脑风暴思索答案的“大麻烦”。

氚则是另一个麻烦。

氢是宇宙中最轻且丰度最高的元素。氚则是氢的一种放射性同位素，半衰期12.3年。大多数氚都是宇宙射线与大气层发生相互作用产生的，主要用途则是放在氢弹中增加爆炸力。

格兰迪博士称，如果氚是测量结果异常的原因，那么造成这种读数变化所需的氚含量大概是“每千克氙中3个氚原子，这个数低得令人难以置信”。他还表示，如果不是有氙探测器这么灵敏的仪器，这么低的氚含量几乎不可能探测到。

格兰迪博士坦承，氚可能的确是测量结果异常的原因，而且氚污染可能只是未来在设计探测器时需要考虑并校正的细节之一。

“不过，想想这些的确有可能是真实存在的信号，我们当然很是兴奋。”格兰迪博士说。

他补充说：“它的背后是超越了标准模型的物理学，所以当然是个大新闻。我觉得这肯定是个重要发现。”

格兰迪博士现在身处意大利北部，迫切希望回到格兰萨索实验室，并且开始推动下一阶段的Xenon合作项目实验。

而艾普里勒博士则会在几周内离开纽约前往意大利，她说：“我很是兴奋，但真正值得兴奋的是，马上就要有新探测器了，我感觉棒极了。”

宇宙正在等待我们揭开答案。

“我们要推动一把，”格兰迪博士说，“现在，我觉得我们身下的东西才真正令人兴奋。”

资料来源 The New York Times

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本文作者丹尼斯•奥弗比（Dennis Overbye）是《纽约时报》专栏作家。著有《环宇孤心:探索宇宙奥秘的故事》和《恋爱中的爱因斯坦：科学罗曼史》。