科学家意大利山下搜寻暗物质,神秘信号出现隐藏重大发现?

它可能是一把打开宇宙奥秘的钥匙;也可能只是恼人的背景噪音,一个需要在未来的实验过程中被校准的东西。

在意大利的山下,一个科学家团队在搜寻暗物质的过程中,记录下了一大桶液态氙发出的非常可疑的“砰”的声音。

科学家意大利山下搜寻暗物质,神秘信号出现隐藏重大发现?

地点:意大利中部的Gran Sasso 实验室。仪器:XENON暗物质计划的暗物质探测器。图|纽约时报

尽管他们并没有宣称自己发现了暗物质——反正至少目前还没有。但是6月17日,实验团队在科学预印本平台发表了一篇标题为《观察XENON1T中的过量电子反冲事件》(Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T),阐述了在探测器内意外发现的过量事件。

对此他们在论文中提出了三种解释:

1.这可能符合一种被称为轴子的假想暗物质粒子的特征;

2.这些数据也可以用中微子的新特性来解释

3. 一种更普通的可能——信号来自实验内部的污染。

这项实验名为“XENON实验”,被誉为有史以来对暗物质最敏感的搜索。它是由来自24个不同的国家和27个机构的160名科学家合作进行的。合作中也有大约70名研究生。所使用的工具是一个3500公斤的液态氙探测器。科学家意大利山下搜寻暗物质,神秘信号出现隐藏重大发现?

XENON实验使用一个3500公斤的液态氙探测器,来寻找难以捉摸的暗物质。图|xenon1t.org

在论文中,科学家们指出,如果这个信号是真实存在的,并且具有持续性,那么它很可能能够证明一种被称为轴子的亚原子粒子的存在。科学家意大利山下搜寻暗物质,神秘信号出现隐藏重大发现?

在组装中的暗物质探测器。图|astronomy now

物理学的大发现?

如果真的是证明了轴子存在的话,那么这就是前所未有的大发现了

因为尽管长期以来科学界认为轴子在保持自然界对称方面起着至关重要的作用,但是它从来没有被直接或者间接地探测出来。

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XENON实验的一部分参与者在意大利Gran Sasso实验室的一次会议上。图|PPUPDUE University

轴子是来自粒子物理学标准模型之外的未经证实的假设性超轻粒子,该模型描述了亚原子粒子的行为。理论物理学家在20世纪70年代首次提出了轴子的存在,以解决制约强力的数学问题,强力将称为夸克的粒子结合在一起。但轴子后来成为暗物质的流行解释。

暗物质这种神秘的物质占了宇宙质量的85%,却不发出光。而它的本质究竟是什么,目前也没有人可以下定论。迄今为止,科学家们都只观测到了暗物质的间接证据,尚且没有对暗物质粒子确定并且直接的检测到。

XENON实验的领导者之一的哥伦比亚大学的物理学教授埃琳娜·阿普罗(Elena Aprile)说:“这并不是暗物质,但是如果发现一种新的粒子将是非常惊人的。”

XENON实验的科学家们也在一份声明中表示,如果探测到轴子将 “在我们对于基础物理和天体物理学现象的理解上都产生重要的影响”。科学家意大利山下搜寻暗物质,神秘信号出现隐藏重大发现?

XENON1T的光传感器。图|Xenon Collaration

尽管正如论文的共同作者埃文·肖克利(Evan Shockley )在一封公开邮件中强调的那样:“我们都需要非常清楚我们所报告的只是观察到的‘过度’(相当重要的一个),而不是任何形式的‘发现’”,但是科学界仍然为之沸腾。

麻省理工学院教授、2004年诺贝尔奖物理学奖获得者弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)是最早提出 "轴子 "的物理学家之一,维尔泽克同时也是世界顶尖科学家协会指导委员会成员。他注意到了论文中所有的事先声明,但是仍然作出了高度的评价:“这无疑是有趣的,物理学界也将热切期待进一步的发展"。

维尔泽克同时也强调了此次可能探测的"轴子"并不是暗物质,但是如果能够验证它们的存在,那么将开启另一个世界。科学家意大利山下搜寻暗物质,神秘信号出现隐藏重大发现?

2004年诺贝尔物理奖得主弗兰克·维尔泽克 | WLF图

轴子的故事

轴子的故事始于20世纪70年代。当时的物理学家在发展“标准模型”———一种对基本粒子和它们如何相互作用的理论的称呼。

“标准模型”包含了那个时候科学家们关于亚原子粒子的所有知识,并且预测了其他粒子的存在。

它们的组织方式如下图所示。科学家意大利山下搜寻暗物质,神秘信号出现隐藏重大发现?

标准模型中的基本粒子。图|physics.info

最后,发现的粒子是1983年的W及Z玻色子(W and Z bosons)、1995年的顶夸克(top quark )、2000年的τ中微子(tau neutrino)和2012年的希格斯玻色子(Higgs boson)。

而当科学家探寻标准模型的时候,注意到了强核力的一些奇怪之处,它将夸克结合在一起,形成原子核内的质子和中子。

强核力是自然界四大基本力之一,其他三种力分别是重力、电磁力和弱力。顾名思义,强核力是四种力中最强的一种。它负责将物质的基本粒子结合在一起,形成更大的粒子。

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被称为“夸克”的基本粒子有六种不同的“味”,分别是上、下、粲、奇、底及顶。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,而中子则包含两个下夸克和一个上夸克。图|Live Science

这种力以某种方式调节中子的结构,使它们完全对称。用粒子物理学的语言来说,中子被称为具有电荷共轭宇称(charge parity)对称性:将它的所有电荷从正电荷倒置为负电荷,同时在镜子中观察它的行为,其实不会有任何明显的影响。关于粒子为什么会有这样的排列的问题就被称为"强CP问题"。

随后,在1977年,当时在斯坦福大学工作的海伦·奎恩(Helen Quinn)和已故的罗伯托·佩奇提出了这样一个解决方案:也许有一个至今未知的场,它弥漫在整个空间,并抑制了中子的不对称性。

后来,理论物理学家维尔泽克和史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)推断,如果对标准模型进行调整,允许这样的场,就意味着一种新粒子的存在,他们将它起名为轴子(维尔泽克从一个品牌的洗涤剂中得到了这个名字的想法)。

轴子将没有量子力学上的"自旋",这使得它成为一个玻色子。它的质量虽然不是零,但会小得令人难以置信。

现象背后的可能解释

不过对于开篇的发现,也不乏别的解释。科学家们发现的特性可能不是属于轴子的,而是专属于另一种被称为“中微子”的新的、出乎意料的滑翔鬼粒子的。

当然,另一种同样可能的解释是,他们的探测器已经被消失的微量污染了,氚也就是是氢的一种罕见的放射性形式。

或者这一切可能只是一个统计波动,随着数据的不断增多,波动会消失。

阿普罗教授团队的成员承认如果要得出“发现轴子”的结论,数据标准尚且还不够格。因为在粒子物理学中要证明"发现"所需的标准,需要达到“5 sigma”的标准,及偶然的概率需要少于一百万分之一。

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sigma(σ)指代“标准差”,可以当作是对“不确定性”的一种测量。例如在物理科学中,做重复性测量时,测量数值集合的标准差代表这些测量的精确度。高标准差的样本被认为是更分散的,这意味着有更多的变异性,结果也更容易解释。相反地,低标准差则更紧密地围绕着平均值旋转。对于正态分布来说,一个数值在平均值的1-sigma、2-sigma和3-sigma范围内的概率。图|维基百科

根据研究团队发表的论文,针对发现轴子这种假想粒子的统计数据,置信度为3.5sigma,即有万分之二的概率这个信号只是随机波动。而其他两种设想的置信度为3.2 sigma。

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