北京時間3月11日消息，據國外媒體報道，科學家一直在探索暗物質的真實“身份”和組成。現在，研究人員發現了新的證據，為一種被稱為軸子（axion）的假想粒子提供了支持，認為這很可能是暗物質的主要成分之一。
子彈星系團（Bullet Cluster）的合成圖像。子彈星系團由一對迎面碰撞的星系團組成，得到了廣泛的研究，並被認為是暗物質存在的有力證據。其中一個星系團穿過另一個，就像子彈穿過蘋果一樣，可能顯示出暗物質（藍色）與熾熱氣體（粉色）分離的明顯跡象。
1933年，天文學家首次推斷宇宙中存在某種看不見的物質，後來，這些“丟失的質量”被稱為暗物質。自此之後，暗物質一直是全世界天文學家和物理學家追逐的神秘對象。儘管有理論認為暗物質占宇宙中所有物質的85%，但這些看不見的物質究竟是由什麼組成的，仍然是一個謎。
什麼是軸子？
一些研究人員認為，暗物質實際上可能是一種名為“軸子”的奇怪粒子。這是一種假想的基本粒子，具有極微小的質量和能量。軸子最初於1977年提出，用來解決粒子物理學中所謂的“強CP問題”——為什麼CP在量子色動力學中不被破壞？
這是一個長期懸而未決的疑難問題。CP是粒子物理學中兩個對稱運算的乘積：C對稱即電荷對稱，量子操作為電荷共軛運算，可以將一個帶電荷粒子轉化為其反粒子；P是宇稱，宇稱運算會造成一個物理系統的鏡像。在強相互作用和電磁作用中，CP轉化運算對整個物理系統不產生任何影響，即CP對稱；但在一定的弱相互作用中，這個對稱會被微小地打破（CP破壞）。對CP破壞的研究至今仍然是理論物理學和實驗物理學中非常活躍的領域。
在CP對稱中，如果一個粒子與它的反粒子交換，或者當它被倒置或成為鏡像時，涉及的物理定律應當是相同的。在量子色動力學中，強相互作用可能會導致CP破壞，但科學家從未觀察到這種破壞。
歐洲核子研究中心（負責運行大型強子對撞機的機構）的粒子物理學家約翰·埃利斯說：“我們已經知道，這種CP對稱區分了粒子和反粒子。我們也知道，弱相互作用中會出現CP破壞。這是一個謎，為什麼在強相互作用中沒有違反這種對稱？”自軸子被提出以來，埃利斯就一直從事這方面的研究。
1977年，研究者提出了標準模型的一個擴展，在這個擴展中，強相互作用不會破壞CP對稱，“這個理論預測了軸子的存在”。2020年，一個物理學團隊發現了軸子存在的第一個直接證據，使得這種假想粒子更具合理性，也引起了科學界對軸子的興趣，同時進一步支持了軸子可能是暗物質最佳候選粒子的觀點。
“暗物質占宇宙中物質的絕大部分，而我們不知道它究竟是什麼。在所有科學中最突出的問題之一，便是‘什麼是暗物質？’”新研究的第一作者、美國加州大學伯克利分校物理學助理教授本傑明·薩夫迪在一份聲明中說，“我們猜測這是一種未知的新粒子，而軸子可能就是這種粒子。它可能在大爆炸中大量產生，並漂浮在宇宙中，可以解釋天體物理學已經取得的觀察結果。”
放棄WIMP？
暗物質“毛髮”。一些研究人員認為，暗物質以這種“網狀”的模式分佈在整個宇宙中。
在2月23日發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上的兩篇綜述中，研究人員描述了軸子如何成為暗物質的主要候選粒子，以及物理學家將如何更深入地研究這種粒子，或許還將解釋暗物質之謎。
到目前為止，在眾多可能組成暗物質的候選成分中，一直處於領先地位的當屬“大質量弱相互作用粒子”（weakly interacting massive particles，簡稱WIMP）。WIMP是一個很籠統的術語，描述的是一種仍然停留在理論階段的假想粒子，只通過弱核力和引力與普通物質發生非常微弱的相互作用。據預測，WIMP的質量是質子的1到1000倍。
然而，儘管WIMP是最有希望的暗物質候選成分，在過去的幾年裡，WIMP並沒有出現在大型強子對撞機中，也沒有出現在對暗物質的直接搜索中。因此，隨着WIMP逐漸失去作為暗物質候選粒子的光環。
我們能否捕獲軸子？
隨着對WIMP的研究陷入僵局，研究人員開始探索可以採取哪些步驟來確認軸子的存在，並進一步確定它是否可能是暗物質。研究人員在綜述中提出，他們有可能最終“捕獲”軸子，並通過預測其質量來確認其存在。
在這兩篇綜述中，研究人員提出了物理學家可以採用的幾種不同的方法，既可以預測軸子的質量，也可以將其作為暗物質的候選者進行研究。這些方法包括使用光暈儀（haloscope），這種儀器可以“觀察來自銀暈的微波光子信號”。（星系暈是星系周圍一個巨大的球形空間區域，其範圍超出了可見物質的範圍。）
研究人員預計，在這樣的實驗中，軸子會在微波空腔中轉換成電磁波，儘管這種情況會非常罕見。理論上，這種電磁波是能夠被探測到的。
研究人員還提出了物理學家們目前正在使用，並可能用於尋找軸子的其他方法，包括使用地面望遠鏡，例如使用歐洲核子研究中心的軸子太陽望遠鏡（CAST）來探測太陽核心產生的軸子，甚至發現中子星磁層中的軸子——在那裡它們可能會轉換為光子，並留下明顯的光譜特徵。
尋找質量
在這兩篇綜述中，研究人員探索了可以讓科學家探測軸子的前沿技術，而目前較流行的軸子探測技術之一，便是嘗試在微波空腔中探測電磁波。
不過，在2月25日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上的另一項新研究中，研究人員使用美國國家能源研究科學計算中心（NERSC）的超級計算機——目前世界上最大的超級計算機之一——模擬了軸子的產生過程。
在該團隊的模擬中，軸子幾乎就在大爆炸后立即產生；他們還將宇宙中暗物質的總質量和產生的軸子總數考慮在內，從而估計出軸子的可能質量。模擬結果顯示，軸子的質量是理論物理學家預期的兩倍多，達到40到180μeV（大致相當於一個電子質量的100億分之一）。
研究小組還發現，軸子可以產生比預期更高頻率的電磁波，而該頻率超出了實驗中通常用於探測軸子電磁波的範圍，在這些軸子實驗中，模擬程序不知道應該調到哪個頻率，因此必須掃描許多不同的可能性。
對於模擬的結果，研究人員形容早期宇宙中的軸子可能表現得就像“從野馬上摔下來的騎手”。
你可以想象這些繩子由軸子組成，在宇宙擴張的過程中，繩子向周圍甩出，形成圓環，互相連接，並經歷許多劇烈的動力過程。位於邊緣的軸子正試圖緊緊抓住繩子，但當一些過於劇烈的過程發生時，它們就會從這些繩子上甩出去。而那些脫離繩子的軸子最終會在很久以後變成暗物質。
當然，研究團隊並沒有解決了暗物質問題，也沒有給出關於軸子的確切描述。但隨着越來越多的研究者繼續推進這類實驗，在不久的將來，或許我們就能更好地理解這些假想粒子究竟是什麼，並最終解開暗物質之謎。（任天）