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PRL：找到軸子了？！

2023.06.13 安徽

光子盒研究院

近日，由明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校理論物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)與費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了一種尋找軸子的新方法。物理學(xué)家們的新策略為在粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)軸子開(kāi)辟了以前未曾探索過(guò)的機(jī)會(huì)。

5月31日，研究人員的論文在《物理評(píng)論快報(bào)》上以《First Constraints on Heavy QCD Axions with a Liquid Argon Time Projection Chamber Using the ArgoNeuT Experiment》為題發(fā)表，并作為編輯推薦。

“作為粒子物理學(xué)家，我們正在努力發(fā)展我們對(duì)自然的最佳理解，”該論文的共同作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)物理和天文學(xué)學(xué)院助理教授Zhen Liu說(shuō)：“在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家們通過(guò)既定的理論框架在尋找基本粒子方面取得了巨大的成功。因此，中子為什么不與電場(chǎng)耦合是極其令人費(fèi)解的，因?yàn)樵谖覀円阎睦碚撝?，我們期望它們?huì)這樣；如果我們真的發(fā)現(xiàn)了軸子，這將是我們對(duì)自然界結(jié)構(gòu)的基本理解的一個(gè)巨大進(jìn)步?！?/span>

自然界中存在著許許多多的物質(zhì)，它們都是由各種原子分子等組成的；而原子則是由更基本的粒子，例如質(zhì)子、中子、電子等組成的。除此之外，像是太陽(yáng)產(chǎn)生的光，磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)等，這些沒(méi)有實(shí)體的場(chǎng)，也是構(gòu)成宇宙的物質(zhì)。那么，宇宙里究竟有多少種組成物質(zhì)的基本單元呢？像是之前所說(shuō)的，原子可以分為更小的質(zhì)子、中子、電子，那么這些粒子又可以再細(xì)分嗎？

這些問(wèn)題已經(jīng)在幾十年前被物理學(xué)家們認(rèn)真研究過(guò)了，他們提出一套名叫“標(biāo)準(zhǔn)模型”的理論，預(yù)言了所有可能出現(xiàn)的基本粒子，共計(jì)61種。

這個(gè)模型囊括除了引力以外的另外三種基本作用力，并且其預(yù)言的粒子接連被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，尤其是2012年7月4日“天使粒子”希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著標(biāo)準(zhǔn)模型取得了空前的成功，這也是目前最接近萬(wàn)有理論的普適模型。即便如此，標(biāo)準(zhǔn)模型也有無(wú)法解答的現(xiàn)象，例如中微子振蕩，暗物質(zhì)來(lái)源，以及正反物質(zhì)不平衡等等問(wèn)題。

——其中，后兩個(gè)問(wèn)題都跟軸子相關(guān)。

軸子（axion）是一種假想粒子，理論上它與其他物質(zhì)的相互作用很弱，質(zhì)量也很小，因此很難被觀測(cè)到（如果存在的話）。

暗物質(zhì)（Dark matter）是可能存在于宇宙中的不可見(jiàn)物質(zhì)，幾乎不參與電磁相互作用，只表現(xiàn)出引力效應(yīng)，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)和理論分析，暗物質(zhì)大約占宇宙全部物質(zhì)總質(zhì)量的85%。

暗物質(zhì)有很多候選的粒子，它們都沒(méi)有被包含在標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中，因此一旦有所發(fā)現(xiàn)，將是物理學(xué)的又一個(gè)里程碑；其候選的新粒子就包括軸子。軸子一開(kāi)始并不是為了解決暗物質(zhì)的問(wèn)題而提出來(lái)的，這個(gè)想法起初來(lái)源于理論物理學(xué)家Roberto Peccei和Helen Quinn為了解決量子色動(dòng)力學(xué)中的強(qiáng)CP問(wèn)題而提出的 Peccei–Quinn理論。他們引入了一種新的動(dòng)態(tài)標(biāo)量場(chǎng)來(lái)表征違背電荷-宇稱對(duì)稱性的作用的大小，這個(gè)場(chǎng)可以天然地給出極小的參數(shù)值，保證了對(duì)稱性的守恒，也就解決了強(qiáng)CP問(wèn)題。

強(qiáng)CP問(wèn)題（strong CP problem）是關(guān)于量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）中為什么電荷（charge, C）-宇稱（parity, P）聯(lián)合對(duì)稱性保持守恒的問(wèn)題，其最自然、最優(yōu)雅的解答就是包含軸子的Peccei–Quinn理論。

之后，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Frank Wilczek和Steven Weinberg指出，這樣會(huì)引入一種新的粒子——“axion”軸子。

軸子的引入本質(zhì)上就是希望它很弱，從而表征出極弱的CP破缺，這樣的要求導(dǎo)致這種粒子理論上幾乎不與其他粒子發(fā)生相互作用，而且質(zhì)量很小，大約是電子質(zhì)量的10^-11~10^-9量級(jí)，因此在之前的實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有條件被觀測(cè)到。

現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)提出的方法涉及測(cè)量“衰變”產(chǎn)物——當(dāng)一個(gè)不穩(wěn)定的重粒子轉(zhuǎn)化為多個(gè)較輕的粒子時(shí)發(fā)生的情況。假設(shè)的軸子轉(zhuǎn)化為兩個(gè)μ介子（基本上是電子的較重版本），科學(xué)家通過(guò)從探測(cè)器中的μ介子軌道向后重建這種衰變，相信自己有機(jī)會(huì)找到軸子并證明其存在。

研究亞原子粒子和可能發(fā)現(xiàn)新粒子的主要手段之一是對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)。從本質(zhì)上講，科學(xué)家們強(qiáng)迫粒子束進(jìn)行碰撞：當(dāng)它們相互撞擊時(shí)，產(chǎn)生的能量會(huì)產(chǎn)生其他粒子，研究人員通過(guò)一個(gè)探測(cè)器能夠分析它們的特性。

該論文的共同作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)物理和天文學(xué)學(xué)院的博士后研究員Raymond Co說(shuō)：“通過(guò)這項(xiàng)研究，我們正在擴(kuò)大我們可以搜索軸子粒子的方法。人們以前從未將軸子衰變?yōu)棣探樽幼鳛樵谥形⒆踊驅(qū)ψ矙C(jī)實(shí)驗(yàn)中搜索軸子粒子的一種方式。這項(xiàng)研究開(kāi)辟了新的可能性，可以為我們領(lǐng)域的未來(lái)努力鋪平道路?！?/span>

文章的最后，團(tuán)隊(duì)表示，“我們已經(jīng)介紹了首次使用ArgoNeuT實(shí)驗(yàn)在LArTPC中對(duì)重QCD軸子的搜索。該搜索可以擴(kuò)展到各種新的重QCD軸子模型，為未來(lái)中微子設(shè)施的重QCD軸子搜索鋪平道路；所開(kāi)發(fā)的技術(shù)也可用于約束其他具有長(zhǎng)壽命共振衰變的暗粒子模型。”

參考鏈接：

[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

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