暗物质粒子：重磅！科学家发现了暗物质粒子
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我们知道 ， 暗物质占据了宇宙中85%的物质、四分之一的总质量 ， 它们的存在让星系得以形成 ， 并在运动过程中保持稳定 。 但是 ， 暗物质究竟是什么？对于这个关乎宇宙组成的根本性问题 ， 科学界至今没有明确的答案 。
【暗物质粒子：重磅！科学家发现了暗物质粒子】上世纪八十年代 ， 暗物质可能是新型粒子的观点被逐步接受 ， 科学界存在两种关于暗物质粒子候选者的主流观点：一种观点认为暗物质是一种被称为轴子的极轻粒子；另一种观点来自一大类理论 ， 这些理论预测了一种重量相当于质子100到1000倍的电中性粒子 。 下表列出了一些暗物质的“候选者”：
暗物质粒子候选者中最为盛行的理论是弱相互作用大质量粒子（WIMP） 。 在这个理论中 ， 暗物质是一类可以参与弱相互作用 ， 静止质量超过1GeV的大质量粒子 。 WIMP理论受物理学家欢迎的一个重要原因是 ， 它可以很好地解释观测到的暗物质密度 。
为了搜寻这类粒子 ， 各国物理学家已经做了不少尝试 。 例如 ， 中国的“悟空”号暗物质卫星 ， 正是在超过10GeV的能段上寻找异常的伽马射线信号——这样的信号 ， 可能来自WIMP之间的碰撞 。 除了太空中的探测器 ， 寻找暗物质粒子的另一条思路 ， 是在地下深处建造探测装置 。 数百乃至上千米厚的岩层可以隔绝绝大多数宇宙线的干扰 ， 尽可能避免噪音对实验的影响 ， 而暗物质粒子却能顺利通过 。
XENON实验
北京时间6月18日凌晨 ， 位于意大利格兰萨索地下实验室的全球最灵敏暗物质实验XENON1T（“氙一吨”）宣布观测到了来源不明的意外结果 ， 可能是一种被称作“轴子”（Axion）的新粒子 。
“轴子”这一概念于上世纪70年代被提出 ， 最初的目的是解决强相互作用中的CP（电荷-宇称）不对称性问题 。 80年代中期 ， 理论研究发现 ， 宇宙大爆炸能产生足以构成暗物质的轴子 。 从此 ， 轴子也成为暗物质的有力候选粒子 。 相比于WIMP ， 轴子的质量要低得多 ， 只有1μeV~1meV 。 因此 ， 适用于WIMP的探测手段 ， 显然不能直接照搬到轴子身上 。 由于轴子太轻了 ， 它们撞上氙原子就如同蚍蜉撼大树 ， 不会掀起任何波澜 。 不过 ， 氙的电子却是很合适的撞击目标——轴子与电子可以发生弹性碰撞 ， 赋予电子动能 ， 继而产生可探测的闪光 。
2016-2018年间 ， 研究团队在24keV的能段上收集装置中的闪光 。 在两年多的运行期间 ， 他们共看见了285次闪光信号 。 不过 ， 这些信号中的大多数都是可以解释的 。 建在地下深处的装置可以屏蔽地面以上的绝大多数干扰 ， 但少量来自放射性铅、氪等同位素的背景噪音仍然可以进入装置中 ， 与氙原子发生碰撞 。 好在 ， 研究人员可以分辨出这些噪音信号 。 在285个信号中 ， 有232个来自背景噪音 。 问题是 ， 其余的53个信号 ， 是由什么产生的？
XENON探测器内部（图片来源：ENRICO SACCHETTI/SCIENCE SOURCE）
其中可能性最高 ， 同时也是最令人兴奋的解释就是 ， 这些信号来自暗物质粒子——轴子 。 不过 ， 这些轴子并不是形成于宇宙大爆炸过程的“幽灵” ， 而是由太阳产生 。 虽然不能直接解释宇宙中缺失的质量 ， 但这样的结论同样足够震撼：如果太阳轴子得到证实 ， 这意味着源自大爆炸过程的轴子同样存在 ， 这将是人类首次发现暗物质粒子 。
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