PRL：找到轴子了？！

光子盒研究院

近日，由明尼苏达大学双城分校理论物理学家领导的一个团队与费米国立加速器实验室的实验研究人员合作，发现了一种寻找轴子的新方法。物理学家们的新策略为在粒子对撞机实验中检测轴子开辟了以前未曾探索过的机会。

5月31日，研究人员的论文在《物理评论快报》上以《First Constraints on Heavy QCD Axions with a Liquid Argon Time Projection Chamber Using the ArgoNeuT Experiment》为题发表，并作为编辑推荐。

“作为粒子物理学家，我们正在努力发展我们对自然的最佳理解，”该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院助理教授Zhen Liu说：“在过去的一个世纪里，科学家们通过既定的理论框架在寻找基本粒子方面取得了巨大的成功。因此，中子为什么不与电场耦合是极其令人费解的，因为在我们已知的理论中，我们期望它们会这样；如果我们真的发现了轴子，这将是我们对自然界结构的基本理解的一个巨大进步。”

自然界中存在着许许多多的物质，它们都是由各种原子分子等组成的；而原子则是由更基本的粒子，例如质子、中子、电子等组成的。除此之外，像是太阳产生的光，磁铁产生的磁场等，这些没有实体的场，也是构成宇宙的物质。那么，宇宙里究竟有多少种组成物质的基本单元呢？像是之前所说的，原子可以分为更小的质子、中子、电子，那么这些粒子又可以再细分吗？

这些问题已经在几十年前被物理学家们认真研究过了，他们提出一套名叫“标准模型”的理论，预言了所有可能出现的基本粒子，共计61种。

这个模型囊括除了引力以外的另外三种基本作用力，并且其预言的粒子接连被实验所证实，尤其是2012年7月4日“天使粒子”希格斯玻色子的发现，标志着标准模型取得了空前的成功，这也是目前最接近万有理论的普适模型。即便如此，标准模型也有无法解答的现象，例如中微子振荡，暗物质来源，以及正反物质不平衡等等问题。

——其中，后两个问题都跟轴子相关。

轴子（axion）是一种假想粒子，理论上它与其他物质的相互作用很弱，质量也很小，因此很难被观测到（如果存在的话）。

暗物质（Dark matter）是可能存在于宇宙中的不可见物质，几乎不参与电磁相互作用，只表现出引力效应，结合现有实验和理论分析，暗物质大约占宇宙全部物质总质量的85%。

暗物质有很多候选的粒子，它们都没有被包含在标准模型当中，因此一旦有所发现，将是物理学的又一个里程碑；其候选的新粒子就包括轴子。轴子一开始并不是为了解决暗物质的问题而提出来的，这个想法起初来源于理论物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn为了解决量子色动力学中的强CP问题而提出的 Peccei–Quinn理论。他们引入了一种新的动态标量场来表征违背电荷-宇称对称性的作用的大小，这个场可以天然地给出极小的参数值，保证了对称性的守恒，也就解决了强CP问题。

强CP问题（strong CP problem）是关于量子色动力学（QCD）中为什么电荷（charge, C）-宇称（parity, P）联合对称性保持守恒的问题，其最自然、最优雅的解答就是包含轴子的Peccei–Quinn理论。

之后，诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek和Steven Weinberg指出，这样会引入一种新的粒子——“axion”轴子。

轴子的引入本质上就是希望它很弱，从而表征出极弱的CP破缺，这样的要求导致这种粒子理论上几乎不与其他粒子发生相互作用，而且质量很小，大约是电子质量的10^-11~10^-9量级，因此在之前的实验中没有条件被观测到。

现在，实验团队提出的方法涉及测量“衰变”产物——当一个不稳定的重粒子转化为多个较轻的粒子时发生的情况。假设的轴子转化为两个μ介子（基本上是电子的较重版本），科学家通过从探测器中的μ介子轨道向后重建这种衰变，相信自己有机会找到轴子并证明其存在。

研究亚原子粒子和可能发现新粒子的主要手段之一是对撞机实验。从本质上讲，科学家们强迫粒子束进行碰撞：当它们相互撞击时，产生的能量会产生其他粒子，研究人员通过一个探测器能够分析它们的特性。

该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院的博士后研究员Raymond Co说：“通过这项研究，我们正在扩大我们可以搜索轴子粒子的方法。人们以前从未将轴子衰变为μ介子作为在中微子或对撞机实验中搜索轴子粒子的一种方式。这项研究开辟了新的可能性，可以为我们领域的未来努力铺平道路。”

文章的最后，团队表示，“我们已经介绍了首次使用ArgoNeuT实验在LArTPC中对重QCD轴子的搜索。该搜索可以扩展到各种新的重QCD轴子模型，为未来中微子设施的重QCD轴子搜索铺平道路；所开发的技术也可用于约束其他具有长寿命共振衰变的暗粒子模型。”

参考链接：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/mN1ArkjERy3V7MHTcaA8iw

[2]https://arxiv.org/pdf/2207.08448.pdf

[3]https://phys.org/news/2023-06-particle-axions-puzzling-physics.html