左边是星系团，右边是可见的暗物质环。来源:NASA, ESA, m.j. Jee和H. Ford(约翰霍普金斯大学)

　　对暗物质的探索正在推进，新的实验技术旨在探测轴子，利用先进的技术和跨学科的合作来揭开这种难以捉摸的化合物的秘密宇宙的灵魂。

　　一个幽灵在我们的宇宙中游荡。这在天文学和宇宙学中已经存在了几十年。观测表明，宇宙中大约85%的物质是神秘的、看不见的。这两种特性反映在它的名字中:暗物质。

　　一些实验旨在揭示它的组成，但尽管几十年来一直在寻找，科学家们还是没有找到。现在，我们在美国耶鲁大学进行的新实验提供了一种新策略。

　　暗物质从一开始就存在于宇宙中，将恒星和星系聚集在一起。它不可见且微妙，似乎不与光或任何其他物质相互作用。事实上，它必须是全新的东西。

　　粒子物理学的标准模型是不完整的，这是一个问题。我们必须寻找新的基本粒子。令人惊讶的是，标准模型同样的缺陷给我们提供了宝贵的线索，告诉我们这些缺陷可能隐藏在哪里。

　　中子的麻烦

　　让我们以中子为例。它和质子一起组成原子核。尽管总体上是中性的，但该理论指出，它是由三种称为夸克的带电粒子组成的。正因为如此，我们预计中子的某些部分带正电，其他部分带负电——这意味着它有物理学家所说的电偶极矩。

　　然而，许多测量它的尝试都得出了同样的结果:它太小而无法被检测到。另一个鬼。我们不是在讨论工具的不足，而是一个必须小于100亿分之一的参数。它是如此之小，以至于人们怀疑它是否可以完全为零。

　　然而，在物理学中，数学上的零总是一个强有力的陈述。在70年代末，粒子物理学家罗伯托·佩塞和海伦·奎因(以及后来的弗兰克·威尔切克和史蒂文·温伯格)试图将理论和证据结合起来。

　　他们认为，也许，参数不为零。相反，它是一个动态量，在大爆炸之后慢慢失去电荷，演变为零。理论计算表明，如果这样的事件发生了，它一定会留下大量的轻的、偷偷摸摸的粒子。

　　这些被称为“轴子”，因为它们可以“清除”中子的问题。甚至更多。如果轴子是在早期宇宙中产生的，那么它们从那时起就一直存在。最重要的是，它们的性质符合暗物质的所有特征。由于这些原因，轴子已经成为暗物质最受欢迎的候选粒子之一。

　　轴子与其他粒子的相互作用很弱。然而，这意味着它们仍然会相互作用。不可见的轴子甚至可以转化为普通粒子，包括——具有讽刺意味的——光子，光的本质。这可能发生在特殊情况下，比如在磁场存在的情况下。这对实验物理学家来说是天赐良机。

　　实验设计

　　许多实验都试图在实验室的受控环境中唤起轴子幽灵。例如，一些人的目标是将光转换成轴子，然后在墙的另一边将轴子转换回光。

　　目前，最灵敏的方法是用一种叫做“光晕”的装置来瞄准弥漫在星系(也就是地球)中的暗物质光晕。它是浸没在强磁场中的导电腔体;前者捕获我们周围的暗物质(假设它是轴子)，而后者诱导转化为光。结果是一个电磁信号出现在腔内，振荡的特征频率取决于轴子的质量。

　　这个系统的工作原理就像一台接收收音机。它需要适当调整以截取我们感兴趣的频率。实际上，改变腔体的尺寸以适应不同的特征频率。如果轴子和腔体的频率不匹配，就像把收音机调错频道一样。

　　这块强力磁铁被转移到耶鲁大学的实验室。来源:耶鲁大学

　　不幸的是，我们正在寻找的渠道无法提前预测。我们别无选择，只能扫描所有可能的频率。这就像在一片白噪音的海洋中挑选一个电台——大海捞针——用一台旧收音机，每次我们转动频率旋钮时，它都需要变大或变小。

　　然而，这些并不是唯一的挑战。宇宙学指出，几十千兆赫是轴子搜索的最新、最有希望的前沿。由于更高的频率需要更小的空腔，因此探索该区域所需的空腔太小，无法捕获有意义的信号。

　　新的实验正在试图寻找替代途径。我们的Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha)实验采用了一种基于超材料的空腔新概念。

　　超材料是一种复合材料，具有不同于其组成部分的整体特性——它们不仅仅是各部分的总和。一个充满导电棒的空腔的特征频率似乎缩小了一百万倍，而体积几乎没有变化。这正是我们所需要的。此外，杆提供了一个内置的，易于调节的调谐系统。

　　我们目前正在建立这个装置，它将在几年内准备好接收数据。这项技术很有前途。它的发展是固体物理学家、电气工程师、粒子物理学家甚至数学家合作的结果。

　　尽管如此难以捉摸，轴子却在推动着人类的进步，这是任何鬼魂都无法夺走的。

　　作者:Andrea Gallo Rosso，斯德哥尔摩大学物理学博士后。

　　改编自一篇最初发表于The Conversation的文章。