弗兰克 • 维尔切克(Frank Wilczek),麻省理工学院物理学家
物理定律不随时间前后推移而改变,而时间似乎只朝一个方向移动。物理学家把逆转时间之箭的变换称为“时间反演”,或者简称为T。他们把T不改变基本定律的(近似)事实称为“T不变性”。
为什么大自然如此精确地执行T不变性?人们提出了几种解释,但只有一种经受住了时间的考验。核心观点来自罗伯托 • 佩切伊(Roberto Peccei)和海伦 • 奎因(Helen Quinn),但他们忽视了其观点的一个重要的、可检验的结果。据预测,由他们所引入的中和场会产生一种粒子,而这种粒子具有一些显著的性质。但他们没有注意到这些粒子,因此没有为其命名。这给了我一个实现早年梦想的机会。
若干年前,超市里一种名叫Axion的包装颜色鲜艳的洗衣粉吸引了我的目光。我突然想到Axion(轴子)听起来像一个粒子的名字。所以当我注意到有一个新的粒子用axial(轴向)电流“解决”了一个问题时,我看到了机会。史蒂文 • 温伯格也注意到了这个粒子,他一直称其为Higglet,他明智且大度地放弃了这个名字。于是一个传奇开始了,其结局仍有待书写。
在关于粒子数据组的历史记录中,你会发现好几页涵盖了几十个实验的不成功的轴子搜索描述。然而,是有理由乐观的。
轴子理论普遍性地预言:轴子应该是非常轻、寿命很长的粒子,它们与普通物质的相互作用非常微弱。但是为了比较理论和实验,我们需要定量。在这里我们遇到了模糊性,因为现有的理论并不能确定轴子质量的值。如果我们知道轴子的质量,我们就可以预测它的所有性质。但是质量本身可以在很大范围内变化。(同样的基本问题也出现在粲夸克、希格斯粒子、顶夸克和其他几个夸克身上。在每一个粒子被发现之前,理论就预测了它的所有性质,除了它的质量值。)结果发现轴子相互作用的强度与它的质量成正比。因此,随着轴子质量的假设值减小,轴子变得更加难以捉摸。
在初期,物理学家专注于轴子与希格斯粒子密切相关的模型。这些想法表明,轴子的质量应该是10千电子伏(keV),也就是说,大约是电子质量的1/50。我之前提到的大多数实验都是为了寻找具有这种特性的轴子。到目前为止,我们可以确信这样的轴子是不存在的。
因此,人们的注意力转向了更小的轴子质量值(从而导致更弱的耦合),这并没有被实验排除在外。这类轴子在统一了标准模型的相互作用的模型中非常自然地出现。它们也出现在弦理论中。
据我们计算,轴子应该在大爆炸的早期大量产生。如果轴子真的存在,那么轴子流将遍布宇宙。轴子流的起源与著名的宇宙微波背景(CMB)辐射的起源极为相似,但这两种物质之间有三大区别:第一,微波背景被观察到了,而轴子流仍然是一种假设。第二,由于轴子有质量,因此轴子流对整个宇宙的质量密度贡献很大。事实上我们计算得出,它们所贡献的质量大致相当于天文学家所认定的暗物质质量!第三,由于轴子的相互作用非常微弱,它们比来自CMB的光子更难观测到。
对轴子的实验性搜索仍在几个方面进行。其中两个最有希望的实验都是为了探测轴子流。其中之一的ADMX(轴子暗物质实验)使用特制的超灵敏天线将背景轴子转换为电磁脉冲。另一个实验——CASPEr(宇宙轴子自旋进动实验)寻找由轴子流所引起的核自旋运动中的微小摆动。这些困难的实验有望覆盖几乎所有可能的轴子质量。
轴子存在吗?我们还不确定。它们的存在将为T不变性研究带来一个戏剧性的、令人满意的结局,而且很可能解决暗物质之谜。比赛正在进行中。
——星野译自Quanta Magazine