未知事物遍及整个宇宙。即使利用各种先进的天文望远镜,人们所能看到的物质也仅仅占宇宙总质量的4%。然而,其余的物质也必定是存在的。否则,星系将不会保持现有的结构,宇宙也不会如天文学家所观测到的那样在不断膨胀。目前,暗物质和暗能量究竟由什么组成仍是个谜,但最近物理学家发现了关于它们构成的某些线索。

 

　　一种解释是,暗物质是由一组叫“中微子”的亚原子粒子组成。然而,中微子是如此地难以捕获。如果你用一光年厚的铅做成一个屏幕,也仅能阻挡住照射到它表面的一半中微子。目前认为,中微子是宇宙中最多的粒子。每秒钟大约有十万亿万亿个中微子到达地球表面,其中大部分来自太阳内部的核反应。但是,绝大部分中微子会径直穿过地球,如入无人之地。

 

　　标准模型是目前粒子物理学最成功的理论。根据标准模型,中微子可分为三类,叫做中微子的“味”:分别为电中微子,τ中微子和μ中微子。又根据标准模型,中微子是体积极小、不带电、无质量的粒子。但是近几年来,物理学家却发现中微子可能拥有质量,为此人们的观点才有所改变。

 

 

　　第一个有力的证据是在1998年,日本神岗的超神岗(Super Kamiokande)实验组的研究人员表示,宇宙射线撞击大气层产生的μ中微子到达地下探测器时,部分消失了。超神岗的工作人员猜想,消失的μ中微子可能发生了“味转化”,变成了电中微子,或者更有可能是τ中微子。理论研究表明,这种被称为“振荡”的过程,只有在中微子具有质量的前提下才可能发生。

 

　　该实验之后,陆续又出现了一些关于中微子振荡的报道。加拿大萨德伯里中微子观测站的数据表明,太阳内部核反应产生的电中微子在发射到地球的途中,会转化为τ中微子或μ中微子。日本也另外做了两个实验,分别是在神岗和东京附近的筑波大学KEK粒子加速器实验室完成的,它们的实验结果,同样表现出了中微子的振荡。

 

　　最近,在费米实验室进行了一次主注入器中微子振荡寻找实验(MINOS),研究人员用一束强中子束轰击碳靶得到了一束μ中微子,并在靶的另一边放置一个粒子探测器来检测离开费米实验室的μ中微子数目。然后,让中微子从地下穿过750千米的距离,到达明尼苏达州苏丹铁矿的一个探测器。通过对到达那里的μ中微子数目和最初产生的μ中微子数目进行比较,他们发现,大量的μ中微子消失了,也就是它们的味发生了转化。该实验进一步证实了上述的结果。于是他们得出结论:中微子确实具有质量,并且具有确切的质量数。MINOS的研究人员希望在未来几年内,能够设计出更精确的仪器以进行进一步的研究。

 

　　中微子的质量只有电子质量的千万分之一,但是数目惊人,因此它的影响也不容小视。然而它们的质量太小,不可能是暗物质的唯一成分,然而它是目前唯一可以证明存在的一种暗物质形式。

 

　　暗物质的另一种可能形式同样不能确定。一组意大利物理学家正在对这种粒子进行研究。在最近的《物理评论快报》(PhysicalReview Letters,PRL)上,Legnaro国家实验室的埃米利奥·扎瓦蒂尼(Emilio Zavattini)等人报道,他们在激光真空极化实验(PVLAS)中得出了异常数据。这批充满怀疑精神的物理学家花了两年的时间,希望对这些数据作出解释,但是至今仍未取得成功。然而,如果他们的实验结果经得起检验的话,这将会成为一种新的基本粒子存在的证据,被命名为“轴子”的这种新粒子,可能成为暗物质的另一种形式。

 

　　实验原理很简单,扎瓦蒂尼等人让激光通过强磁场中的真空区域,此时的激光会发生极化,即光波朝多个方向振动,而不是在左右或者上下单一的方向上振动(当光线在磁体的另一边出现时,以测量它的极化情况)。根据标准模型,结果应该不会明显,因为激光可以轻易地穿过真空。然而,扎瓦蒂尼教授和他的同事们发现,出射光波的振动方向此时发生了非常轻微的转动。这种转动相当微弱,变化的角度仅相当于钟表上的分针一秒钟转动角度的十亿分之一。尽管这个信号极其微弱,但可能意味着一种新的粒子被发现。

 

　　实验中的激光是由一种叫“光子”的粒子组成,而磁场同样是由光子组成;然而不同的是,磁场中的光子会不断地产生和消失。如果扎瓦蒂尼发现的信号不是人为效应的话,最可能的解释就是,激光中的光子与磁场的光子相互作用产生了轴子。

 

 

　　然而,事情并没有进展得如此顺利。PVLAS实验观测到的结果与天体物理学的实验数据产生了矛盾。既然光能产生轴子,那么太阳和其他恒星也应该会产生大量的轴子。遗憾的是,至今没有人直接探测到这样的粒子,许多其他寻找轴子的实验同样也没有找到它们的踪迹。

 

　　为了解决这个问题,普林斯顿高等研究院的劳尔·拉巴丹(Raul Rabadan)和他的同事们计划进行一个独立的测试(同样发表在PRL上),这个测试计划在2006年底进行。他们建议,让一束强X射线穿过磁场照射到对X射线不透明的障碍物上,并在障碍物另一端也放置一个磁场。因为障碍物不透明,X射线将被完全挡住。

 

　　X射线属于高能光子,如果PVLAS实验能产生轴子,理论上用X射线同样也可以实现。与光子不同的是,产生的轴子能径直穿过障碍物到达另一边。在该处,轴子通过一个与第一阶段产生轴子相反的过程,重新变为X射线光子,当然同时需要第二个磁场的作用。虽然这个实验耗资巨大,但拉巴丹并不会要求与费米实验室共同承担。