轴子以洗衣粉命名,最初被提出是为了解决粒子物理学中的一个问题,它们是奇怪的生物。在大爆炸期间产生的轴子可能潜伏在我们周围,构成了宇宙中 22% 的暗物质。其他轴子,在太阳内部新形成的,可能会穿过我们。根据三月份发表的一篇论文,意大利一项名为 PVLAS(利用激光偏振真空)的实验可能首次探测到了实验室制造的轴子。
轴子被认为具有极低的质量——小于电子质量的百万分之一——并且是电中性的。它们与其他粒子的相互作用非常弱,使得探测变得困难。但是物理学家预测,任何穿过磁场的光子中,会有极小一部分会转变为轴子。(这就是预测太阳产生它们的方式。)事实上,意大利的实验,位于莱尼亚罗国家实验室,由 INFN 的埃米利奥·扎瓦蒂尼和乔瓦尼·坎塔托雷领导,在激光束的行为中发现了轴子的证据。在穿过极强磁场来回 44,000 次后,光束的偏振旋转了百万分之十度。如果一些光子转化为不可见的轴子,或者更准确地说,物理学家称之为类轴子的粒子,那么这种旋转正是预期的指纹。
从其数据中,PVLAS 小组推断出假定轴子的质量以及它们的相互作用强度。然而,令人困惑的是,结果与其他观测结果相矛盾,并且不符合从天体物理学推导出的约束。特别是,CERN 轴子太阳望远镜 (CAST) 在 2003 年运行了六个月,未能探测到任何来自太阳的轴子。这个结果似乎排除了很大一部分可能的质量和相互作用强度,包括 PVLAS 看到的数值。此外,如果轴子的相互作用强度像 PVLAS 指出的那样强,它们应该会在恒星中大量产生,导致恒星衰老的速度比我们所知的快得多。
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佛罗里达大学和欧洲核子研究中心的轴子专家皮埃尔·西基维说,这些考虑“在人们接受 PVLAS 结果之前设置了相当高的门槛”。另一方面,他补充说,“这些人非常有能力,他们在这方面工作了很长时间。”据各方面说法,PVLAS 研究人员一直小心地排除可能混淆数据的效应;此外,在尚未发表的工作中,该小组还使用不同的激光器获得了符合一致性的结果。一些理论家已经提出了方法来协调 PVLAS 的结果与 CAST 和其他天体物理限制的结果。
只有进一步的实验才能确定真相。如果 PVLAS 的结果是正确的,那么轴子应该出现在一个被称为“穿墙发光”的实验中。想法是这样的:激光束穿过一个不透明墙壁的强磁场。光束中的一些光子被转换为轴子,它们穿过墙壁。在另一侧,另一个磁场诱导少量轴子转换回光子,这些光子可以被检测到。这样一个实验,使用一个大型、强磁体和灵敏的光子探测器,将在几分钟内令人信服地证实(或反驳)PVLAS 的结果。包括 PVLAS 团队在内的研究小组正在准备进行该实验。到今年年底,轴子可能会成为粒子动物园的一个可靠补充——或者回到物理学家最想要的名单上。