寻找神秘未知粒子的“芳踪”

天文学观测表明，宇宙总能量密度的约26%是由暗物质组成的。暗物质的证据都来自于引力的观测，比如星系的旋转曲线、引力透镜效应等。对于暗物质粒子的性质，我们至今一无所知。暗物质的粒子模型有很多，研究最多的模型有大质量弱相互作用粒子和轴子/类轴子粒子模型。下面就说说轴子/类轴子和相关的探测实验。

轴子/类轴子暗物质

说到轴子，就不得不先介绍量子色动力学中一个悬而未决的谜题——强CP问题（C：电荷共轭，P：宇称）。简而言之，就是为何弱相互作用可以违反CP对称，出现CP破坏，而强相互作用理论上也预期存在CP破坏而实验上却一直没有发现？

1977年，佩奇（R. D. Peccie）和奎恩（H. R. Quinn）为解决这一难题提出了一种新的对称性，以他们的名字命名，即PQ对称性。次年，温伯格（S. Weinberg）和维尔切克（F. Wilczek）分别独立发现，PQ对称性意味着可能存在一种非常特别的基本粒子，维尔切克给它取名“轴子（Axion）”，据说灵感来自一种Axion牌洗衣粉，因为轴子的引入可以“清除”一个物理谜题。

轴子粒子质量轻（约为电子质量的千亿分之一甚至更轻）、不带电、没有量子自旋、寿命长、相互作用微弱，但数量可以很大。虽然轴子是为了解决粒子物理问题而提出来的，但是研究发现它们和宇宙中的暗物质所要求的属性高度吻合，轴子也因此成为一种理想的暗物质候选体！近年来轴子的搜寻研究引起了越来越多的关注。

轴子的质量和表征相互作用强度的耦合系数成反比，只有一个参数是自由的。推广的类轴子粒子是一种相互作用形式相同，但质量和耦合系数都是自由参数的粒子，它们同样可以作为暗物质粒子的候选体。

有意思的是，在一些更为基本的理论如弦理论中，极轻的类轴子粒子也被普遍预言存在。可以说轴子或类轴子粒子建立起了粒子物理、宇宙学、天体物理等领域的广泛联系，具有非常基础和深远的物理意义。

轴子的引入可以同时解决两个未解之谜：强CP问题和暗物质问题。不过，“轴子是否存在”本身又成为一个新的未解之谜，破解谜题的当务之急便是找到它的“芳踪”。发现轴子无疑将成为基础物理学领域的一项伟大成就，全球各地的科学家们为搜寻轴子/类轴子想了很多巧妙的办法。

轴子/类轴子实验室探测

轴子和类轴子粒子最独特的属性是它可以通过普里马科夫过程与光子在电磁场中相互转化。借助这一特性，科学家设计了多种实验来搜寻轴子和类轴子粒子的踪迹。下面着重介绍其中几类比较有意思的实验。

第一类叫微波谐振腔实验，主要用于探测宇宙中的轴子或类轴子暗物质。宇宙中的轴子和类轴子粒子可以在超导磁铁包围着的微波谐振腔内转化成低能的微波波段光子，微波光子经谐振腔放大进而被探测器探测到（图1）。此类实验中的典型代表是美国的“轴子暗物质实验”（Axion Dark Matter Experiment, ADMX）。

图1：微波谐振腔探测轴子和类轴子粒子示意图。图片来源 | R. Battesti et al., Lect. Notes Phys. 741:199-237, 2008

第二类是利用X射线望远镜探测太阳产生的轴子/类轴子粒子。太阳中的核反应过程会产生很多种粒子，比如中微子，高能光子等，如果轴子和类轴子模型正确的话，也会产生轴子/类轴子粒子。太阳核心的温度达到千万度，产生的轴子/类轴子具有很高的动能，它们转换产生的光子能量在X射线波段，可以用X射线望远镜观测（图2）。该转化过程可以在地磁场中发生，也可以在实验室磁场中发生。这类实验的代表是“欧洲核子中心轴子太阳望远镜”（CERN Axion Solar Telescope, CAST）。

图2：利用X射线望远镜探测太阳产生的轴子和类轴子粒子。图片来源 | R. Battesti et al., Lect. Notes Phys. 741:199-237, 2008

第三类叫光子穿墙实验。神话中的“茅山道士”能够不着痕迹的穿墙过屋，来去无形，暗物质也有同样的性质。我们普通人撞到墙上会“头破血流”，原因是组成人体和墙的原子具有电磁相互作用。暗物质粒子（包括轴子/类轴子粒子）不存在电磁相互作用，所以可以轻而易举地穿过厚厚的墙壁。而光子有电磁相互作用，无法穿过墙壁，所以我们看不到墙背面的物体。

那光子穿墙实验又是怎么回事呢？光子先在墙的左边的电磁场中转变成轴子，轴子穿过墙壁后再在墙后的电磁场中转化成光子，光子通过两次“变身”就能像“茅山道士”一样穿墙而过了（图3）。光子穿墙实验的代表是德国的“任意轻粒子搜寻”（Any Light Particle Search, ALPS）实验。

图3：光子穿墙实验示意图。图片来源 | R. Battesti et al., Lect. Notes Phys. 741:199-237, 2008

轴子/类轴子的天文学探测

根据相同的原理，天文学家也可以通过观测遥远天体发出的光寻找轴子/类轴子粒子的蛛丝马迹。

其中一类典型的实验如图四所示。遥远天体发出的光会在其自身、宇宙空间和银河系的磁场中和光子互相转化，从而在原本的天体光谱中留下某些特殊的印记，比如光谱上的不规则振荡现象。通过测量这些天体发出的光，就可以搜寻轴子/类轴子粒子。常见的是通过对遥远的活动星系核辐射的伽马射线和X射线能谱观测，比如可利用Fermi伽马射线望远镜以及我国的“悟空”号暗物质粒子探测卫星（DAMPE）。

图4：天文学上探测轴子/类轴子的示意图。图源 | 网络

基于这一思路，中国科学院紫金山天文台的一个科研团队利用高能立体视野望远镜（H.E.S.S.）对银河系内某些明亮的伽马射线源的观测结果，开展了光子-类轴子振荡信号的搜寻。虽然没有发现明显的光子-类轴子振荡信号，但是在较高的类轴子质量区域（~100 neV）对光子-类轴子耦合强度给出了迄今最强的限制（图5）。

图5：利用H.E.S.S.对银河系亮源的观测所排除掉的类轴子粒子参数空间（黄色区域）和其他观测结果的比较。

宇宙空间中也有一类“穿墙实验”。这个“墙”不是由物质构成，而是由充斥于宇宙中的背景辐射构成。能量高于万亿电子伏特（TeV）的所谓甚高能伽马射线在宇宙空间中传播时，会被“背景光子墙”挡住，而无法到达探测器，这导致我们只能观测到近邻宇宙空间中的甚高能伽马射线源。

如果存在轴子/类轴子粒子，那么来自宇宙深处的甚高能伽马射线就可以通过和轴子/类轴子的转化，穿“墙”而过，被我们观测到，从而极大地延伸了探测距离。有意思的是确实有一些TeV伽马射线观测结果表明宇宙空间似乎比通常认为的更透明，这或许就是轴子/类轴子粒子存在的迹象（拟合数据所需的参数空间见图五浅蓝色区间）。

写在最后

利用天文观测探测轴子/类轴子粒子的灵敏度取决于几个关键因素：能量分辨率高、能段覆盖宽、能谱测量准。我国目前在轨运行的DAMPE卫星、正在研制中的空间站高能宇宙辐射探测设施（HERD）以及正在四川稻城建设的高海拔宇宙线观测站LHAASO将可以显著地提高伽马射线观测的能谱分辨率和灵敏度，将明显改进轴子/类轴子粒子搜寻的灵敏度。未来几年也许是轴子/类轴子粒子搜寻的关键时期，能否找到这种神秘未知粒子的“芳踪”，让我们拭目以待。

作者简介

冯磊，中国科学院紫金山天文台副研究员，中科院青年创新促进会会员。主要从事粒子宇宙学和暗物质间接探测的研究。

袁强，中国科学院紫金山天文台研究员，暗物质粒子探测卫星科学团队成员。主要从事暗物质卫星的数据分析和科学研究。

原载：中科院之声

主编：毛瑞青

轮值主编：苏杨

编辑：王科超、高娜

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