轴子猎手
译自《Axion Hunters, The search for an almost invisible and wholly hypothetical elementary particle
is on!》,DARK MATTER by Benjamin Skuse,JANUARY 2021 • SKY & TELESCOPE, pp16-21
暗物质:它是天体物理邻域里的大象。 天文学家认为它约占宇宙质量的 84%。 他们正在努力
寻找它。
“有时我在纸上做理论研究,有时是在做仿真,还有一些时候我在分析天体物理学或实验室数
据,”本杰明·萨夫迪(密歇根大学)沉思道。 “老实说,我不完全确定如何对像我这样的研究
人员进行分类。 . . 也许‘暗物质猎人’是一个合适的词。”
萨夫迪和其他像他一样的人在物理学界是不常见的,专家们很少跨越实验、观察和理论研究之
间的界限。 但他们这些老古董的方法是出于必要而诞生的:数十年昂贵且耗时的实验都失败
了,因此科学家们需要创造性的新想法来直接探测暗物质。
对某些人来说,这意味着要建立更复杂、更敏感的实验室实验和基于太空的搜索,最后一搏以
发现最受欢迎的暗物质候选者,弱相互作用重粒子(WIMPs;S&T:2017 年 8 月,第 28
页)。 例如,在法国和瑞士边境的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC) ,物理学家一直
在使用著名的希格斯玻色子(2012 年在粒子加速器中发现)来探测它是否会衰变成 WIMP 粒
子。 现在,在南达科他州一个废弃的金矿地下大约一英里处,正在安装 LUX-ZEPLIN 实验装
置。LUX-ZEPLIN 是一个装有 7 吨氙的容器,旨在捕获来自 WIMP 和其他粒子碰撞的光爆发。与
之前的 LUX(大型地下氙)实验和 ZEPLIN(液态惰性气体闪光)实验相比,它具有更大的尺寸
和灵敏度,为最终发现 WIMP 提供了希望——如果它们存在的话。
然而,对于越来越多的其他暗物质猎人来说,一系列 WIMP 检测实验一无所获的事实表明,是
时候关注其他可能性了。最近在意大利 Gran Sasso 山地深处进行的一项实验支持了他们的论
点,激发了对不同暗物质候选者的寻找:轴子。
虽然 WIMP 至少有一个质子的质量,粒子物理学术语中的“巨大”,而一个轴子也许是微小电子
质量的千亿分之一(甚至更少),在很多方面 WIMP 和轴子都是相似的。 与 WIMP 一样,轴
子被认为形成于早期的宇宙,只有非常微弱的与普通物质的相互作用。 此外,他们中的任何
一个都可能以形成清晰扩展的方式解释暗物质到粒子物理学的标准模型,而不必彻底改写基本
定律。
但许多科学家认为现在是 WIMP 退出舞台并让轴子成为人们关注的焦点的时候了。
无处不在的粒子?
轴子是在 1970 年代后期由 Steven Weinberg 和 Frank Wilczek 独立提出的。它们是在粒子物理学
标准模型(称为量子色动力学 (QCD))中解决的一个问题,强 CP 问题,后提出的一个想法。
Weinberg 最初将这种新的假设粒子称为“Higglet”,但后来 Wilczek 建议命名为“axion”,一个引
起他注意的几年前的超市断货的洗衣粉名字。
理论预测这些 QCD 轴子像宇宙微波背景一样遍布空间,它们应该与普通物质的相互作用非常
弱并且非常轻。 但是,令人沮丧的是,理论并不能预测准确的值。
然而,在首次提出 QCD 轴子几年后,皮埃尔·西基维(佛罗里达大学)和其他人意识到在一顶
范围的质量和相互作用强度可以使它们加起来成为宇宙中缺失的物质。 研究人员目前的大部
分工作都围绕在这一有价值的范围。
说得客气一点,找到一个没有电荷并且很少与我们看到的宇宙相互作用的微小假设粒子是一个
挑战。 理论表明,为数不多的捕捉难以捉摸的轴子的方法之一是磁场,它可以将轴子变成光
子并再次返回。 在光子形式中,研究人员可以测量光的频率,这与轴子质量直接相关。
暗物质猎人基于这一想法进行了两大类研究:建造强大的磁铁,在地球上诱导轴子身份交换,
并在太空中寻找自然界的磁场来源,寻找类似变色龙现象的迹象。
陆上调查
华盛顿大学的轴子暗物质实验 (ADMX) 是一项为在地球上寻找轴子暗物质提供希望的领先实
验。 ADMX 始于 1995 年,基于 Sikivie 提出的检测方案,ADMX 捕猎每秒钟从广阔的宇宙中冲
向地球的轴子。该实验旨在通过超冷磁体将这些轴子转换为微波光子,该磁体的磁场强度约为
地球磁场的 150,000 倍。 如果轴子确实存在并且仪器被精确地调谐到正确的波长,它的腔会产
生共振,放大信号,这样超灵敏的量子电子探测器就可以接收到它。
轴子猎人的另一个有希望的研究方向是从太阳中寻找轴子。 这些轴子可以通过高能 X 射线光
子在与恒星等离子体中的带电粒子相互作用时将身份转换为轴子,在太阳和其他恒星内部产
生。 太阳轴子不能解释暗物质——只有在早期宇宙中产生的现在弥漫在太空中的原始轴子才
能做到这一点。 但是找到太阳版本将证明轴子存在。
大多数这些实验都是基于由 Sikivie 首次提出的一种设计。该设计使用称为日光镜的特制望远
镜。例如,欧洲核子研究中心轴子太阳望远镜 (CAST) 本质上是一个非常好的 X 射线望远镜,
它指向太阳,但它的镜头盖永远不会拿掉。 它由两个 10 米长的管子和一个由升级的 LHC 原型
磁铁产生的强磁场组成,旨在将太阳轴子重新转换回光子。 每个磁管通向一个 X 射线望远镜
和光子探测器,记录 X 射线的微弱闪光。 如果出现任何光子,它们很可能是太阳轴子的变色
体。
自 2003 年以来,CAST 一直通过在日出和日落时跟踪太阳 1.5 小时来寻找轴子信号。尽管该团
队没有发现任何信号,但“轴子特性的一些最强限制来自 CAST,” Safdi 说。 他补充说,CAST 提
议的继任者,国际轴子天文台 (IAXO),承诺更严格的限制,并且甚至可能进行探测,可能会改
变游戏规则。
科学家们也对另一种实验的最新结果很感兴趣。 XENON1T 是一个巨大的、带有传感器的坦
克,埋在意大利中部的群山之下。 在其相对适中的 3.2 吨氙气中,暗物质猎人捕捉到了意外的
过量粒子相互作用。 WIMPs 立即被排除为罪魁祸首,留下了三种可能性:实验内部的污染、
中微子表现出新的特性,或者最令人兴奋的是,太阳轴子。 确认将不得不等到 XENON1T 的后
续实验 XENONnT 的第一个结果,在本文付印时,该实验计划于
2020 年底上线。
寻找外太空
尽管新的实验想法和对现有地面搜索的升级有望探索更多潜在的质量和相互作用强度,但在没
有更多关于其构成的信息的情况下,地球上的狩猎可能根本无法找到难以捉摸的轴子。 这就
是许多研究人员转向在外太空广阔的自然实验室中搜寻这种微小假设基本粒子的线索的原因之
一。
“我认为我们可以在地球上创造的最大 [稳定和连续] 磁场约为 45 特斯拉,”理查德·巴蒂(英国
曼彻斯特大学)解释说,他指的是位于佛罗里达的国家高磁场实验室的 35 吨设备。“ 但是,
例如,你可以在脉冲星中获得 1011 T,即使它距离很远,你对它的控制也较少,但它是一个巨
大的信号。”
脉冲星是大质量恒星爆炸性死亡的高能残余物:快速旋转的磁化中子星像宇宙灯塔一样向相反
方向发射窄光束。 Battye 对这些脉冲星的磁层很感兴趣,这是一个环绕脉冲星的空间区域,
带电粒子被巨大的电磁场捕获,这是轴子翻转为光子的理想场所。
在理想的世界中,天文学家只需要在脉冲星发出的光谱中寻找异常尖峰即可发现轴子的质量。
但实际上,他们需要对脉冲星演化的精确动力学进行建模,以预测信号会是什么样子——当最
近的脉冲星距离地球数百光年时,这绝非易事。 Battye 目前正在筛选英国 Jodrell Bank 天文台
过去 12 年的脉冲星测量数据档案,看看他是否可以通过这种方式提取到轴子质量。 在一项平
行研究中,萨夫迪正在使用西弗吉尼亚州的绿岸望远镜等仪器搜索附近的中子星,寻找类似的
信号。
产生这些信号的轴子来自脉冲星或中子星的外部,它们的波长可以在电磁波谱的无线电部分中
找到。 但萨夫迪也在追求一个想法,即中子星的中心本身就是高能轴子工厂。 就像 CAST 正在
寻找的太阳轴子一样,当这些轴子离开中子星并进入周围的磁层时,一些轴子会转化为 X 射线
光子。 最近,萨夫迪及其同事在附近的七颗脉冲星中搜索了这些特征光子。 在来自 XMM-牛
顿和钱德拉太空望远镜的大量数据中,他们发现了难以捉摸的粒子的线索。 正在进行的努力
集中精力确认这一发现上。
黑洞线索
尽管观察脉冲星和中子星以寻找轴子的线索似乎与上述地面实验室实验相去甚远,但几乎所有
这些研究都依赖于磁场将轴子自发地转换为正常光子。 我们还有其他方法可以观察这些神秘
的假设粒子吗? Masha Baryakhtar(纽约大学)是探索一个完全不同的想法的众多研究人员之
一:黑洞超辐射。
1971 年由苏联物理学家 Yakov Zel’dovich 首次提出,黑洞超辐射是一种粒子或波掠过旋转的黑
洞时可以提取能量和角动量的效应。 如果轴子的质量范围合适,那么,就像扬声器放大声波
一样,超辐射会自发地以指数方式增加黑洞周围的轴子数量。 在短短几年内,它们的数量将
从零膨胀到黑洞质量的百分之几。 这些轴子云将在黑洞周围形成看起来类似于氢原子中电子
轨道的状态,从而使此类黑洞称为引力原子。
“引力原子是巨大的,数百公里宽,并且可以包含天文数量的轴子,高达 10
80
个!Baryakhtar
评论到。 但是对于黑洞来说,形成一个引力原子需要付出沉重的代价。 随着轴子消耗黑洞的
能量,很快就会出现一个点,它不再以足够的能量旋转以产生超辐射。 这种快速自旋下降效
应是 Baryakhtar 的关键:她可以绘制已知黑洞的质量和自旋,并将其与超辐射使黑洞自旋下降
时的预期结果进行比较。 超辐射允许的黑洞质量和自旋与轴子质量直接相关。 如果存在对于
给定轴子质量旋转过快的黑洞,她可以排除该轴子质量。 她和她的同事已经使用这种技术排
除了一系列轴子质量。
尽管 Baryakhtar 目前正在改进这项技术并添加新的黑洞测量,目的是进一步加强对轴子质量的
限制,但她关注的是一种更直接的方法来识别黑洞中的轴子:引力波。
位于华盛顿和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 双站点的研究人员,以及 LIGO 在
意大利的欧洲表亲 Virgo 的科学家,迄今为止自信地目睹了 10 次两个黑洞碰撞并合并的事
件,以及一个 双中子星合并和数十个候选事件。 自 2015 年首次发现引力波的存在以来,这些
时空涟漪已被用于更深入地了解黑洞和中子星的大小和性质,以衡量黑洞在银河系和宇宙中的
常见程度 ,并测试光速和重力速度是否相同(剧透警告,它们是!)。
Baryakhtar 认为科学家们很快也可以利用引力波来识别引力原子。 引力原子可以通过两种方式
产生引力波。 首先,在与原子中的电子直接平行的情况下,轴子可以从高能态下降到低能
态。 在日常原子中,进行这种跃迁的电子会发射光子。 但是在引力原子中,轴子会发出引力
波。 其次,与电子不同,轴子是它们自己的反粒子,因此来自相同能级的两个轴子可以湮灭
以产生引力波。 “这不会发生在普通的氢原子中,” Baryakhtar 说。 “但它是引力原子中最常见
的引力波来源。”
由于引力原子轴子云中任何一个能级的潜在轴子数量巨大,引力波信号可能很大且很容易被发
现。
“到目前为止,还没有任何可能来自引力原子的积极信号,所以我们主要考虑如何正确使用这
些搜索来找出轴子,”她说。 “但我认为这是一个非常有希望的方向,并且随着 LIGO 和 Virgo 对
引力波的敏感度变得更加令人难以置信,预计前景会有所改善。”
如果存在轴子,类似 ESA 的三个安装有激光干涉空间天线 (LISA)的 航天器那样的未来探测器有
望对轴子衍生的引力波更加敏感。其他轴子狩猎方法的前景同样光明。由于大量轴子的潜在参
数仍未被探索,研究人员正在使用诸如 IAXO、ABRACADABRA(使用放大 B 场环装置进行宇宙
轴子检测的宽带/共振方法)等古怪名称的地球探测器来解决这个问题。 MADMAX(磁化盘和
镜面轴子实验)和 CASPER(宇宙轴子自旋进动实验)。与此同时,科学家们正在利用对恒星
演化的更多了解来进一步精简轴子参数。他们还将很快运用平方公里阵列 (SKA) 射电望远镜的
力量来搜索来自难以捉摸的粒子的信号。
“现在,有一点狂野西部的心态,” 萨夫迪说。 “这真的是一个激动人心的时刻。 . .任何这些搜
索都可能导致发现。”