什么是暗物质？宇宙最大谜团的答案可能是轴子

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一个奇怪的假设粒子如何成为恒星暗物质候选者？

暗物质和暗能量比可观测的物质和能量构成了更多的宇宙。

物理学充满了难题，从某种意义上说，这就是该领域不断发展的原因。这些令人费解的谜题促进了一场追求真理的竞赛。但在所有的困境中，我想说其中有两个毫无疑问属于优先级 A。

首先，当科学家们抬头仰望天空时，他们始终会看到恒星和星系在离我们星球更远的地方，并且在各个方向上彼此相距甚远。宇宙看起来像一个正在爆炸的气泡，这就是我们如何知道它正在膨胀的原因。但有些事情没有意义。

太空中似乎没有足够的东西漂浮在它周围——恒星、粒子、行星和所有其他东西——让它如此迅速地膨胀。换句话说，宇宙膨胀的速度比我们的物理学所说的要快，而且当你读到这篇文章时，它甚至还在加速。这给我们带来了问题二。

根据专家的最佳计算，星系旋转得如此之快，因为一切都在快速旋转，我们预计这些螺旋的行为就像失控的旋转木马一样，将金属马从车上抛下。宇宙中似乎没有足够的东西将它们固定在一起。然而，银河系并没有分崩离析。

发生什么了？

模拟整个宇宙的暗物质细丝。 Zarija Lukic/劳伦斯伯克利国家实验室

作为笼统的术语，物理学家称“缺失”的东西将宇宙向外推暗能量，以及将星系聚集在一起的碎片——可能以类似光晕的形式——暗物质。既不与我们可以看到的光或物质相互作用，所以它们本质上是不可见的。暗物质和暗能量加起来构成了宇宙的 95%。

最近发表在《科学进展》杂志上的一篇评论的作者将注意力集中在暗物质的部分上，写道：“它很可能由一种或多种基本粒子组成……尽管它的一部分或全部可能由一些宏观块组成。看不见的物质形式，例如黑洞。”

暗物质是完全难以捉摸的。为了破解它的秘密，科学家们从宇宙阵容中挑选了一些嫌疑犯，其中最想要的粒子之一是一个叫做轴子的奇怪的小斑点。

轴子假说

您可能听说过标准模型，它几乎是圣杯，不断强化的粒子物理学手册。它概述了宇宙中的每 一个粒子是如何工作的。

然而，正如《科学进展》评论指出的那样，一些“粒子物理学家对标准模型感到不安和不满，因为它存在许多理论缺陷，并且许多紧迫的实验问题没有得到解答。” 更具体地说，对于我们来说，它直接导致了一个关于被称为CPT 不变性的成熟科学概念的悖论。啊哈，物理谜题还在继续。

基本上，CPT 不变性表明，当涉及到 C（电荷）、P（奇偶校验）和 T（时间）时，宇宙必须是对称的。因此，它也被称为 CPT 对称性。如果一切都带有相反的电荷，是左撇子而不是右撇子，并且通过时间倒退而不是前进，它表明宇宙应该保持不变。

很长一段时间，CPT 对称性似乎牢不可破。然后1956年到来了。

长话短说，科学家们发现了一些违反 CPT 对称性 P 部分的东西。它被称为弱力，它决定了太阳中的中微子碰撞和元素融合等事情。所有人都感到震惊、困惑和害怕。

几乎所有物理学的基本概念都依赖于 CPT 对称性。

大约十年后，研究人员也发现了违反 C 对称性的弱力。事情正在分崩离析。物理学家可以希望并祈祷，即使 P 被违反……并且 CP 被违反……也许 CPT 仍然没有。也许弱势力只需要三人组来维持 CPT 对称性。值得庆幸的是，这个理论似乎是正确的。由于某些未知的原因，尽管 C 和 CP 出现了光点，但弱力遵循完全 CPT 对称性。呸。

但这是问题所在。如果弱力违反 CP 对称性，你会期望强力也是如此，对吧？嗯，他们没有，物理学家也不知道为什么。这被称为 强 CP 问题——这正是事情变得有趣的地方。

中子——原子内不带电的粒子——遵守强力。另外，为了简化， 它们的中性电荷 意味着它们违反了 T 对称性。并且“如果我们发现某些违反 T 对称性的东西，那么它也必须以不违反组合 CPT 的方式违反 CP 对称性，”该论文指出。但是……这很奇怪。中子不是因为强 CP 问题。

于是轴子的想法诞生了。

中子是位于原子团中心的不带电粒子

多年前，物理学家Roberto Peccei 和 Helen Quinn建议在标准模型中增加一个新维度。它涉及一个超轻粒子场——轴子——它解释了强 CP 问题，从而放宽了中子的条件。Axions 似乎很好地解决了所有问题，以至于两人的想法成为“解决强 CP 问题的最流行的解决方案”，该论文称。这是一个奇迹。

需要明确的是，轴子仍然是假设的，但想想刚刚发生的事情。物理学家在标准模型中添加了一个新粒子，它勾勒出整个宇宙的斑点。这对其他一切意味着什么？

暗物质的关键？

根据 Peccei-Quinn 理论，轴子将是“冷的”，或者非常缓慢地在空间中移动。而且……研究人员说“[暗物质]的存在是从它的引力效应推断出来的，天体物理学观察表明它是‘冷的’。”

该论文还指出，“[轴子]与可见物质相互作用的强度存在实验上限。”

因此，基本上，有助于解释强 CP 问题的轴子似乎也具有与暗物质相一致的理论特性。非常好。

运行大型强子对撞机并领导反物质研究的欧洲核研究理事会（CERN）也强调“轴子最具启发性的特性之一是，它们可以以自然的方式产生“

SLAC 的一个研究领域是重建宇宙的形成。这个模拟显示了串连宇宙的暗物质。星系在密度最高的较亮节点处形成。

你去吧。轴子是物理学中最热门的话题之一，因为它们似乎解释了很多。但再一次，那些广受欢迎的比特仍然是假设的。

我们会找到轴子吗？

科学家们开始寻找轴子已经40 年了。

这些搜索中的大多数“主要是利用作用场与电磁场的相互作用”，最近发表在《科学进展》上的评论中的作者说。

例如，欧洲核子研究中心开发了轴子搜索望远镜，这是一种用于寻找太阳核心产生的粒子线索的机器。在我们的恒星内部，有可能与轴子相互作用的强电场——如果它们真的存在的话，就是这样。

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但到目前为止，这项任务面临着一些相当大的挑战。一方面，“粒子质量在理论上是不可预测的，”作者写道——也就是说，我们对轴子的样子知之甚少。

目前，科学家们仍在寻找它们，同时假设质量范围很广。然而，最近研究人员提供的证据表明，该粒子的电压可能在 40 到 180 微电子伏特之间。这是不可思议的小，大约是电子质量的十亿分之一。

“此外，”该团队写道，“预计轴子信号将非常窄......并且由于与标准模型粒子和场的耦合非常弱，因此非常微弱。” 从本质上讲，即使微小的轴子尽力向我们表明它们的存在，我们也可能会错过它们。他们的暗示可能如此微弱，我们几乎不会注意到。

尽管存在这些障碍，轴子搜索仍在继续。大多数科学家认为，它们一定存在于某个地方。

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