天文學(xué)觀測(cè)表明，宇宙總能量密度的約26%是由暗物質(zhì)組成的。暗物質(zhì)的證據(jù)都來自于引力的觀測(cè)，比如星系的旋轉(zhuǎn)曲線、引力透鏡效應(yīng)等。對(duì)于暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)，我們至今一無所知。暗物質(zhì)的粒子模型有很多，研究最多的模型有大質(zhì)量弱相互作用粒子和軸子/類軸子粒子模型。下面就說說軸子/類軸子和相關(guān)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

軸子/類軸子暗物質(zhì)

說到軸子，就不得不先介紹量子色動(dòng)力學(xué)中一個(gè)懸而未決的謎題——強(qiáng)CP問題(C：電荷共軛，P：宇稱)。簡(jiǎn)而言之，就是為何弱相互作用可以違反CP對(duì)稱，出現(xiàn)CP破壞，而強(qiáng)相互作用理論上也預(yù)期存在CP破壞而實(shí)驗(yàn)上卻一直沒有發(fā)現(xiàn)?

1977年，佩奇(R。 D。 Peccie)和奎恩(H。 R。 Quinn)為解決這一難題提出了一種新的對(duì)稱性，以他們的名字命名，即PQ對(duì)稱性。次年，溫伯格(S。 Weinberg)和維爾切克(F。 Wilczek)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，PQ對(duì)稱性意味著可能存在一種非常特別的基本粒子，維爾切克給它取名“軸子(Axion)”，據(jù)說靈感來自一種Axion牌洗衣粉，因?yàn)檩S子的引入可以“清除”一個(gè)物理謎題。

軸子粒子質(zhì)量輕(約為電子質(zhì)量的千億分之一甚至更輕)、不帶電、沒有量子自旋、壽命長(zhǎng)、相互作用微弱，但數(shù)量可以很大。雖然軸子是為了解決粒子物理問題而提出來的，但是研究發(fā)現(xiàn)它們和宇宙中的暗物質(zhì)所要求的屬性高度吻合，軸子也因此成為一種理想的暗物質(zhì)候選體!近年來軸子的搜尋研究引起了越來越多的關(guān)注。

軸子的質(zhì)量和表征相互作用強(qiáng)度的耦合系數(shù)成反比，只有一個(gè)參數(shù)是自由的。推廣的類軸子粒子是一種相互作用形式相同，但質(zhì)量和耦合系數(shù)都是自由參數(shù)的粒子，它們同樣可以作為暗物質(zhì)粒子的候選體。

有意思的是，在一些更為基本的理論如弦理論中，極輕的類軸子粒子也被普遍預(yù)言存在。可以說軸子或類軸子粒子建立起了粒子物理、宇宙學(xué)、天體物理等領(lǐng)域的廣泛聯(lián)系，具有非?；A(chǔ)和深遠(yuǎn)的物理意義。

軸子的引入可以同時(shí)解決兩個(gè)未解之謎：強(qiáng)CP問題和暗物質(zhì)問題。不過，“軸子是否存在”本身又成為一個(gè)新的未解之謎，破解謎題的當(dāng)務(wù)之急便是找到它的“芳蹤”。發(fā)現(xiàn)軸子無疑將成為基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)偉大成就，全球各地的科學(xué)家們?yōu)樗褜ぽS子/類軸子想了很多巧妙的辦法。

軸子/類軸子實(shí)驗(yàn)室探測(cè)

軸子和類軸子粒子最獨(dú)特的屬性是它可以通過普里馬科夫過程與光子在電磁場(chǎng)中相互轉(zhuǎn)化。借助這一特性，科學(xué)家設(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)來搜尋軸子和類軸子粒子的蹤跡。下面著重介紹其中幾類比較有意思的實(shí)驗(yàn)。

第一類叫微波諧振腔實(shí)驗(yàn)，主要用于探測(cè)宇宙中的軸子或類軸子暗物質(zhì)。宇宙中的軸子和類軸子粒子可以在超導(dǎo)磁鐵包圍著的微波諧振腔內(nèi)轉(zhuǎn)化成低能的微波波段光子，微波光子經(jīng)諧振腔放大進(jìn)而被探測(cè)器探測(cè)到(圖1)。此類實(shí)驗(yàn)中的典型代表是美國(guó)的“軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”(Axion Dark Matter Experiment， ADMX)。

圖1：微波諧振腔探測(cè)軸子和類軸子粒子示意圖。圖片來源：R。 Battesti et al。， Lect。 Notes Phys。 741：199-237， 2008

第二類是利用X射線望遠(yuǎn)鏡探測(cè)太陽產(chǎn)生的軸子/類軸子粒子。太陽中的核反應(yīng)過程會(huì)產(chǎn)生很多種粒子，比如中微子，高能光子等，如果軸子和類軸子模型正確的話，也會(huì)產(chǎn)生軸子/類軸子粒子。太陽核心的溫度達(dá)到千萬度，產(chǎn)生的軸子/類軸子具有很高的動(dòng)能，它們轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子能量在X射線波段，可以用X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)(圖2)。該轉(zhuǎn)化過程可以在地磁場(chǎng)中發(fā)生，也可以在實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)中發(fā)生。這類實(shí)驗(yàn)的代表是“歐洲核子中心軸子太陽望遠(yuǎn)鏡”(CERN Axion Solar Telescope， CAST)。

圖2：利用X射線望遠(yuǎn)鏡探測(cè)太陽產(chǎn)生的軸子和類軸子粒子。圖片來源：R。 Battesti et al。， Lect。 Notes Phys。 741：199-237， 2008

第三類叫光子穿墻實(shí)驗(yàn)。神話中的“茅山道士”能夠不著痕跡的穿墻過屋，來去無形，暗物質(zhì)也有同樣的性質(zhì)。我們普通人撞到墻上會(huì)“頭破血流”，原因是組成人體和墻的原子具有電磁相互作用。暗物質(zhì)粒子(包括軸子/類軸子粒子)不存在電磁相互作用，所以可以輕而易舉地穿過厚厚的墻壁。而光子有電磁相互作用，無法穿過墻壁，所以我們看不到墻背面的物體。

那光子穿墻實(shí)驗(yàn)又是怎么回事呢?光子先在墻的左邊的電磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)變成軸子，軸子穿過墻壁后再在墻后的電磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)化成光子，光子通過兩次“變身”就能像“茅山道士”一樣穿墻而過了(圖3)。光子穿墻實(shí)驗(yàn)的代表是德國(guó)的“任意輕粒子搜尋”(Any Light Particle Search， ALPS)實(shí)驗(yàn)。

圖3：光子穿墻實(shí)驗(yàn)示意圖。圖片來源：R。 Battesti et al。， Lect。 Notes Phys。 741：199-237， 2008

軸子/類軸子的天文學(xué)探測(cè)

根據(jù)相同的原理，天文學(xué)家也可以通過觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光尋找軸子/類軸子粒子的蛛絲馬跡。

其中一類典型的實(shí)驗(yàn)如圖四所示。遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光會(huì)在其自身、宇宙空間和銀河系的磁場(chǎng)中和光子互相轉(zhuǎn)化，從而在原本的天體光譜中留下某些特殊的印記，比如光譜上的不規(guī)則振蕩現(xiàn)象。通過測(cè)量這些天體發(fā)出的光，就可以搜尋軸子/類軸子粒子。常見的是通過對(duì)遙遠(yuǎn)的活動(dòng)星系核輻射的伽馬射線和X射線能譜觀測(cè)，比如可利用Fermi伽馬射線望遠(yuǎn)鏡以及我國(guó)的“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星(DAMPE)。

圖4：天文學(xué)上探測(cè)軸子/類軸子的示意圖。(圖片來源網(wǎng)絡(luò))

基于這一思路，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)利用高能立體視野望遠(yuǎn)鏡(H.E.S.S。)對(duì)銀河系內(nèi)某些明亮的伽馬射線源的觀測(cè)結(jié)果，開展了光子-類軸子振蕩信號(hào)的搜尋。雖然沒有發(fā)現(xiàn)明顯的光子-類軸子振蕩信號(hào)，但是在較高的類軸子質(zhì)量區(qū)域(~100 neV)對(duì)光子-類軸子耦合強(qiáng)度給出了迄今最強(qiáng)的限制(見圖5)。

圖5：利用H.E.S.S。對(duì)銀河系亮源的觀測(cè)所排除掉的類軸子粒子參數(shù)空間(黃色區(qū)域)和其他觀測(cè)結(jié)果的比較。

宇宙空間中也有一類“穿墻實(shí)驗(yàn)”。這個(gè)“墻”不是由物質(zhì)構(gòu)成，而是由充斥于宇宙中的背景輻射構(gòu)成。能量高于萬億電子伏特(TeV)的所謂甚高能伽馬射線在宇宙空間中傳播時(shí)，會(huì)被“背景光子墻”擋住，而無法到達(dá)探測(cè)器，這導(dǎo)致我們只能觀測(cè)到近鄰宇宙空間中的甚高能伽馬射線源。

如果存在軸子/類軸子粒子，那么來自宇宙深處的甚高能伽馬射線就可以通過和軸子/類軸子的轉(zhuǎn)化，穿“墻”而過，被我們觀測(cè)到，從而極大地延伸了探測(cè)距離。有意思的是確實(shí)有一些TeV伽馬射線觀測(cè)結(jié)果表明宇宙空間似乎比通常認(rèn)為的更透明，這或許就是軸子/類軸子粒子存在的跡象(擬合數(shù)據(jù)所需的參數(shù)空間見圖五淺藍(lán)色區(qū)間)。

寫在最后

利用天文觀測(cè)探測(cè)軸子/類軸子粒子的靈敏度取決于幾個(gè)關(guān)鍵因素：能量分辨率高、能段覆蓋寬、能譜測(cè)量準(zhǔn)。我國(guó)目前在軌運(yùn)行的DAMPE衛(wèi)星、正在研制中的空間站高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施(HERD)以及正在四川稻城建設(shè)的高海拔宇宙線觀測(cè)站LHAASO將可以顯著地提高伽馬射線觀測(cè)的能譜分辨率和靈敏度，將明顯改進(jìn)軸子/類軸子粒子搜尋的靈敏度。未來幾年也許是軸子/類軸子粒子搜尋的關(guān)鍵時(shí)期，能否找到這種神秘未知粒子的“芳蹤”，讓我們拭目以待。