一项雄心勃勃的超级计算机计算给寻找“轴子”（被认为是暗物质主要候选者的假设粒子）的物理学家带来了好坏参半的消息。
结果表明，如果轴子存在，它的质量可能至少比之前认为的重十倍。如果这是真的，那么这将为如何找到该粒子提供有用的线索。但这也表明，一个寻找轴子二十年的实验可能不太可能找到它，因为该探测器旨在寻找较轻的版本。
轴子在 1977 年被假设为解决强核力（将原子核中的粒子结合在一起的力）如何影响反物质和物质的悖论的潜在解决方案。（它将解释一种意想不到的对称性，即这种力对物质和反物质产生相同的影响。）但研究人员也认为，轴子可能是暗物质的组成部分之一，暗物质是被认为构成宇宙质量约 85% 的隐形物质。因此，如果这种粒子存在，它将同时解决两个问题。
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在黑暗中寻找
物理学家正在拼命寻找构成暗物质的奇异粒子，这种物质只是通过它对星系的引力间接地被发现的。但到目前为止，每一个旨在寻找暗物质成分的实验都一无所获或产生了有争议的结果。大多数此类实验都试图探测或产生所谓的弱相互作用大质量粒子，或 WIMP。
轴子暗物质实验 (ADMX) 一直在领导另一种解释：轴子。该实验由一个金属圆筒组成，该圆筒使用强磁场，理论上应该将一些轴子转化为可在无线电波频谱中检测到的光子。它于 1996 年在加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室开始，并于 2010 年转移到西雅图的华盛顿大学。
佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的理论物理学家皮埃尔·西基维说，早期的计算表明，轴子的质量应该在 5 微电子伏特 (µeV) 左右，大约比电子轻 1000 亿倍。因此，他和他的合作者将 ADMX 设计为对该范围内的质量最敏感。
但在 11 月 2 日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，德国伍珀塔尔大学的理论物理学家佐尔坦·福多和他的合作者报告了一项大型复杂计算的结果，该计算表明，在某些假设下，轴子的质量最有可能落在 50 到 1,500 µeV 之间。这将使其超出 ADMX 的范围，ADMX 目前对大约 0.5 µeV 到 40 µeV 之间的质量敏感。“我认为这对 ADMX 来说不是好消息，”福多说。
关于暴胀的问题
该团队使用德国尤利希超级计算中心的超级计算机来模拟大爆炸后瞬间基本粒子的产生，追溯到温度飙升至万亿度以上的时期，比之前的模拟高出十倍。那时，如果轴子存在，就会大量产生。为了达到这个目的，该团队不得不开发加速计算的技术，否则可能需要数百万年才能完成，福多说。
该模拟允许该团队计算轴子的质量，前提是假设它是暴胀之后产生的——暴胀是宇宙以指数速度膨胀的短暂时期。在轴子在暴胀之前产生的情况下，该团队计算了粒子形成的方式，但无法推断出它的质量。
华盛顿大学的实验物理学家、ADMX 的负责人莱斯利·罗森伯格说，这篇论文是“一项伟大的成就”。“我向这些人致敬。”他承认，如果暴胀后情景是正确的，那么该团队的结果可能意味着他的实验不会检测到任何东西。但他补充说，在暴胀前的情况下，福多团队发现的结果实际上可能使更轻的质量更合理，并使其正好处于 ADMX 的“最佳位置”。
另一个在韩国大田轴子和精密物理研究中心建造的探测器可能对更高的质量敏感，拟议的 MADMAX 实验也是如此，该实验最初是由《自然》论文的一位合著者提出的。
罗马萨皮恩扎大学的理论物理学家吉多·马丁内利同意，现在完全否定 ADMX 的寻找工作还为时过早。他说，研究人员不确定暴胀前还是暴胀后这两种情景哪种更合理。此外，他认为，即使在暴胀后情景中，该团队的结果也不是结论性的。“他们的一些假设有点草率，”他说。“其他小组肯定有必要验证这些结果。”
本文经许可转载，并于 2016 年 11 月 2 日首次发表。