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    書寫軸子傳奇

    2020-08-28 08:52:36
    世界科學(xué) 2020年8期
    關(guān)鍵詞:軸子夸克格斯

    物理定律不隨時間前后推移而改變,而時間似乎只朝一個方向移動。物理學(xué)家把逆轉(zhuǎn)時間之箭的變換稱為“時間反演”,或者簡稱為T。他們把T不改變基本定律的(近似)事實稱為“T不變性”。

    為什么大自然如此精確地執(zhí)行T不變性?人們提出了幾種解釋,但只有一種經(jīng)受住了時間的考驗。核心觀點來自羅伯托·佩切伊(Roberto Peccei)和海倫·奎因(Helen Quinn),但他們忽視了其觀點的一個重要的、可檢驗的結(jié)果。據(jù)預(yù)測,由他們所引入的中和場會產(chǎn)生一種粒子,而這種粒子具有一些顯著的性質(zhì)。但他們沒有注意到這些粒子,因此沒有為其命名。這給了我一個實現(xiàn)早年夢想的機會。

    若干年前,超市里一種名叫Axion的包裝顏色鮮艷的洗衣粉吸引了我的目光。我突然想到Axion(軸子)聽起來像一個粒子的名字。所以當(dāng)我注意到有一個新的粒子用axial(軸向)電流“解決”了一個問題時,我看到了機會。史蒂文·溫伯格也注意到了這個粒子,他一直稱其為Higglet,他明智且大度地放棄了這個名字。于是一個傳奇開始了,其結(jié)局仍有待書寫。

    弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)麻省理工學(xué)院物理學(xué)家

    在關(guān)于粒子數(shù)據(jù)組的歷史記錄中,你會發(fā)現(xiàn)好幾頁涵蓋了幾十個實驗的不成功的軸子搜索描述。然而,是有理由樂觀的。

    軸子理論普遍性地預(yù)言:軸子應(yīng)該是非常輕、壽命很長的粒子,它們與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱。但是為了比較理論和實驗,我們需要定量。在這里我們遇到了模糊性,因為現(xiàn)有的理論并不能確定軸子質(zhì)量的值。如果我們知道軸子的質(zhì)量,我們就可以預(yù)測它的所有性質(zhì)。但是質(zhì)量本身可以在很大范圍內(nèi)變化。(同樣的基本問題也出現(xiàn)在粲夸克、希格斯粒子、頂夸克和其他幾個夸克身上。在每一個粒子被發(fā)現(xiàn)之前,理論就預(yù)測了它的所有性質(zhì),除了它的質(zhì)量值。)結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸子相互作用的強度與它的質(zhì)量成正比。因此,隨著軸子質(zhì)量的假設(shè)值減小,軸子變得更加難以捉摸。

    在初期,物理學(xué)家專注于軸子與希格斯粒子密切相關(guān)的模型。這些想法表明,軸子的質(zhì)量應(yīng)該是10千電子伏(keV),也就是說,大約是電子質(zhì)量的1/50。我之前提到的大多數(shù)實驗都是為了尋找具有這種特性的軸子。到目前為止,我們可以確信這樣的軸子是不存在的。

    因此,人們的注意力轉(zhuǎn)向了更小的軸子質(zhì)量值(從而導(dǎo)致更弱的耦合),這并沒有被實驗排除在外。這類軸子在統(tǒng)一了標準模型的相互作用的模型中非常自然地出現(xiàn)。它們也出現(xiàn)在弦理論中。

    據(jù)我們計算,軸子應(yīng)該在大爆炸的早期大量產(chǎn)生。如果軸子真的存在,那么軸子流將遍布宇宙。軸子流的起源與著名的宇宙微波背景(CMB)輻射的起源極為相似,但這兩種物質(zhì)之間有三大區(qū)別:第一,微波背景被觀察到了,而軸子流仍然是一種假設(shè)。第二,由于軸子有質(zhì)量,因此軸子流對整個宇宙的質(zhì)量密度貢獻很大。事實上我們計算得出,它們所貢獻的質(zhì)量大致相當(dāng)于天文學(xué)家所認定的暗物質(zhì)質(zhì)量!第三,由于軸子的相互作用非常微弱,它們比來自CMB的光子更難觀測到。

    對軸子的實驗性搜索仍在幾個方面進行。其中兩個最有希望的實驗都是為了探測軸子流。其中之一的ADMX(軸子暗物質(zhì)實驗)使用特制的超靈敏天線將背景軸子轉(zhuǎn)換為電磁脈沖。另一個實驗——CASPEr(宇宙軸子自旋進動實驗)尋找由軸子流所引起的核自旋運動中的微小擺動。這些困難的實驗有望覆蓋幾乎所有可能的軸子質(zhì)量。

    軸子存在嗎?我們還不確定。它們的存在將為T不變性研究帶來一個戲劇性的、令人滿意的結(jié)局,而且很可能解決暗物質(zhì)之謎。比賽正在進行中。

    ——星野譯自Quanta Magazine

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