上周，当意大利一家实验室的科学家宣布，他们探测器中意外的闪烁可能来自长期寻求的亚原子粒子，即轴子时，他们的同事们持谨慎乐观的态度：在物理学中，声称探测到新粒子的说法通常会随着研究人员收集更多数据而变得无关紧要。而且，对于这些闪烁还有其他更平凡的解释。相反，许多物理学家认为，轴子存在的理论依据令人信服。这种假想粒子是暗物质的主要候选者之一，暗物质是构成物质宇宙大部分的神秘物质。证实轴子是真实存在的将是粒子物理学的一项突破，并且这项发现将对我们理解宇宙的组成和历史产生深远的影响。
轴子的故事始于 20 世纪 70 年代，当时物理学家在发展标准模型（描述已知粒子及其相互作用的框架）时，注意到强核力的一些奇怪之处，强核力将夸克结合在一起，形成原子核内的质子和中子。这种力以某种方式调节中子的结构，使其完全对称。换句话说，虽然中子是中性的，但其内部的夸克带有电荷——出于未知的原因，这种电荷分布得非常均匀（至少在十亿分之一以内，根据最新的测量）。用粒子物理学的语言来说，中子被称为具有电荷宇称 (CP) 对称性：将其所有电荷从正到负反转，同时在镜子中观察其行为，将不会产生明显的效应。粒子为什么具有这种排列的问题被称为“强 CP 问题”。
然后，在 1977 年，当时都在斯坦福大学的海伦·奎因和已故的罗伯托·佩切伊提出了一个解决方案：可能存在一个迄今未知的场，它弥漫整个空间并抑制中子的不对称性。后来，理论物理学家弗兰克·维尔切克和史蒂文·温伯格推断，如果对标准模型进行调整以允许存在这样一个场，那将意味着存在一种新的粒子，被称为轴子。（维尔切克从一种洗衣粉品牌中获得了这个名字的灵感。）轴子将没有量子力学的“自旋”，使其成为玻色子。它的质量虽然不为零，但会非常小。
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尽管轴子的重量非常小，但它们的存在数量非常庞大，物理学家很快意识到它们可以解释宇宙中“缺失”的大部分质量：早在 20 世纪 30 年代的 天文观测表明，可见物质——星系、恒星、行星等等——仅占宇宙中所有物质总质量的不到六分之一，其余部分由暗物质构成。自那时以来，暗物质的性质一直是激烈争论的主题。
“轴子实际上是一个非常好的暗物质候选者，”斯坦福大学的彼得·格雷厄姆说。除了宇宙中应该充斥着这种粒子的预期之外，轴子自然会是“暗的”，这意味着它们几乎不与普通物质相互作用。“宇宙喜欢产生轴子，”格雷厄姆说，“并且它喜欢以一种它们会像我们知道存在的冷暗物质那样行动的方式产生它们。”
“冷”是一个重要的限定条件：研究人员据称在意大利格兰萨索国家实验室的 XENON1T 实验中探测到的轴子可能是在我们的太阳内部产生的。它们将具有高能量，因此不太可能是暗物质的组成部分。暗物质轴子必须是缓慢移动的，或者说是冷的，这样它们才能聚集在一起，以引力方式引导星系的演化——正如人们认为暗物质所做的那样。理论家怀疑，这种轴子可能是在早期宇宙中产生的。此外，由于被认为产生冷轴子的过程可能与宇宙早期的快速膨胀有关——一种被称为暴胀的非凡的尺寸膨胀——因此，发现并进一步研究这些难以捉摸的粒子可能有助于物理学家理解大爆炸之后最初的时刻。格雷厄姆说，虽然轴子的发现不会证明暴胀发生过，但它将为了解那个时代的物理学提供宝贵的线索。“对我来说，这就是轴子令人兴奋的地方，”他补充道。
然而，科学家们正在谨慎地做出反应——包括 XENON1T 团队的科学家。他们唯一确定的是，他们在实验核心的巨大液氙容器中看到了数量惊人的电子“反冲”。是什么使电子跃迁仍然存在争议。如果被称为中微子的亚原子粒子具有不可预见的磁特性，那么这种排列可能解释观察到的结果。或者，更平凡的解释可能是：氙可能仅仅是被氚污染了——氚是氢的一种较重形式，其天然辐射可能会混淆 XENON1T 看到的信号。此外，与异常信号相关的置信水平仅为“3.5 西格玛”——这意味着“信号”实际上只是噪声的可能性为 5000 分之一，是统计波动而不是真正的新物理学的产物。这些几率听起来可能不错，但远低于传统上与粒子物理学中的合法发现相关的百万分之 3.5，或“5 西格玛”标准。
除了积累更多数据和升级他们的实验外，XENON1T 研究人员还将寻找表观信号的任何年度变化。太阳轴子应该会导致该信号随着地球绕太阳运行而波动。与此同时，来自华盛顿大学的轴子暗物质实验 (ADMX) 或位于日内瓦附近 CERN 的被称为 CAST（CERN 轴子太阳望远镜）的实验可能会提供佐证。ADMX 已经成功地对轴子的质量施加了新的约束，而 CAST 自 2003 年以来一直在寻找太阳轴子。
马萨诸塞理工学院的维尔切克说，如果轴子被证明是真实的，那将是“理论物理学的胜利——做出了这种美学论证，然后大自然说，‘是的，没错’”，他因其在强核力方面的理论工作而成为 2004 年诺贝尔物理学奖的共同获得者。他说，轴子的存在将指向超出标准模型的新物理学——这是他和他的同事们几十年来一直在期待的事情。维尔切克建议，可以建造新型天线来寻找早期宇宙中产生的轴子。如果这些轴子能够被成功测量，它“将开启天文学的新篇章”，他补充说，因为粒子的行为可以揭示星系形成和“可能其他令人惊讶的事情”。
虽然这样的发展很可能获得诺贝尔奖，但维尔切克并没有在他的书架上为第二枚奖章清理空间。但他说，如果另一个诺贝尔奖向他走来，他“不会拒绝”。