（配合此bgm。）

撰文  Leslie Rosenberg

    宇宙的絕大部分其實(shí)是由我們看不到的某種物質(zhì)組成的。20世紀(jì)30年代開始，天文學(xué)家通過觀察星系團(tuán)得出了這個(gè)結(jié)論，星系團(tuán)中的星系運(yùn)動(dòng)得太快了，如果沒有“暗物質(zhì)”的約束，這些星系團(tuán)就會(huì)分崩離析。到了20世紀(jì)70年代，科學(xué)家更加重視這個(gè)問題，因?yàn)樗麄冊(cè)谘芯啃窍敌D(zhuǎn)速度時(shí)發(fā)現(xiàn)了同樣的問題。很快，他們就意識(shí)到，這種暗物質(zhì)不可能由普通物質(zhì)或輻射構(gòu)成。目前看來確定無疑的是，宇宙中那些通過萬有引力匯聚在一起的天體中，有90%的成分是由一些奇怪的物質(zhì)構(gòu)成，這些物質(zhì)可能是大爆炸遺留下來的一種新粒子。

    很長時(shí)間以來，某些理論提出的弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）是最受青睞的暗物質(zhì)候選者。WIMP完美契合超對(duì)稱模型，后者廣受物理學(xué)家喜愛，但在很大程度上仍只是理論推測。不過，經(jīng)過了數(shù)十年的探索，至今地球上所有的WIMP探測實(shí)驗(yàn)都沒有發(fā)現(xiàn)這類粒子的信號(hào)。當(dāng)然現(xiàn)在給WIMP蓋棺定論還為時(shí)尚早，但一無所獲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果催生出了一些非WIMP的暗物質(zhì)候選者。   

    另一個(gè)名氣沒那么大的候選者是軸子，軸子也是理論預(yù)言的一種粒子，它比WIMP要輕得多，但同樣很少與普通物質(zhì)相互作用。如果暗物質(zhì)是由軸子構(gòu)成的，那么它將無處不在，在你周圍每立方厘米的范圍內(nèi)都會(huì)有數(shù)十萬億甚至數(shù)百萬億的軸子飄來飄去。它們只能通過萬有引力對(duì)宇宙中的其他物質(zhì)施加作用，但它們聚集起來的質(zhì)量已經(jīng)足以改變星系中恒星的軌道和星系團(tuán)中各個(gè)星系的軌道。

    二十多年來，我一直在參與搜尋該粒子的軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（ADMX）。盡管到目前為止依然沒有發(fā)現(xiàn)它們，但我們一直在改進(jìn)自己的技術(shù)。2016年，ADMX又開始了新一期的探測。ADMX已經(jīng)有了足夠高的靈敏度，能在未來的5~10年內(nèi)探測到軸子或是排除絕大多數(shù)可能的軸子模型。我們正處在一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，無論如何，激動(dòng)人心的結(jié)果很快就會(huì)出現(xiàn)。

精彩速覽

科學(xué)家正在搜索可以解釋“暗物質(zhì)”的不可見粒子，這些物質(zhì)通過引力對(duì)宇宙中的其他物質(zhì)施加作用。

軸子是一種在競爭中原本處于下風(fēng)的暗物質(zhì)候選者，它是理論預(yù)言的一種粒子，既可以解釋暗物質(zhì)，也可以解決與束縛原子核的強(qiáng)相互作用有關(guān)的一個(gè)難題。

最近，軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的靈敏度已經(jīng)足夠高，可以驗(yàn)證那些最為可行的軸子模型，或是干脆排除掉它們。

軸子的起源

    軸子是物理學(xué)家在20世紀(jì)80年代提出的，源于量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）中的一個(gè)問題，那時(shí)我還是個(gè)研究生。QCD理論解釋的是把原子核結(jié)合在一起的強(qiáng)相互作用，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美一致，但在解釋強(qiáng)相互作用CP問題時(shí)遇到了麻煩（CP表示“電荷-宇稱”）。QCD告訴我們，如果你把一個(gè)粒子的電荷-宇稱翻轉(zhuǎn)，也就是說倒轉(zhuǎn)電性，并從鏡子里觀察這個(gè)粒子的話，它便不再遵循相同的物理規(guī)律。但研究者沒有發(fā)現(xiàn)支持這一論斷的證據(jù)。這個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)的矛盾導(dǎo)致了一個(gè)嚴(yán)重的問題——讓最完美的粒子物理模型出現(xiàn)了裂痕。這個(gè)裂痕就是強(qiáng)相互作用CP問題，這表明我們一定是忽略了什么，而且是很關(guān)鍵的部分。

    1977年，斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家海倫·奎因（HelenQuinn ）和羅伯托·佩切伊（Roberto Peccei）意識(shí)到，通過引入對(duì)稱破缺的方法可以簡單且完美地解決強(qiáng)相互作用CP問題。這其實(shí)是一個(gè)在物理領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)用到的概念，有時(shí)候自然并非像我們所期望的那樣是對(duì)稱的。舉個(gè)例子來說，當(dāng)你把鉛筆立起來，它向任意方向倒下去的可能性是相同的，這就存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。但如果它總是往一個(gè)方向倒呢，那么我們就會(huì)說自然做出了選擇，破壞了這個(gè)對(duì)稱性。當(dāng)這種情況發(fā)生在粒子物理領(lǐng)域，那就意味著會(huì)需要一種新的粒子來維持內(nèi)在的對(duì)稱性，即便表面上看來這種對(duì)稱性被破壞了。（這里提到的對(duì)稱性并不一定是非常明顯的對(duì)稱性，它可以是一些數(shù)學(xué)意義上的抽象對(duì)稱性。）

    在我看來，奎因和佩切伊將這個(gè)概念用到強(qiáng)相互作用上，簡直是天才式的想法。他們預(yù)言，有一種跟強(qiáng)相互作用相關(guān)的對(duì)稱性出現(xiàn)了破缺。如果真是這樣的話，理論預(yù)言存在，而實(shí)驗(yàn)中并未觀察到的CP不對(duì)稱就被自然而然地抹掉了，問題解決。不久之后，又有人提出了一個(gè)天才式的想法，史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg，現(xiàn)任職于得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校）和弗蘭克·維爾切克（FrankWilczek，現(xiàn)任職于麻省理工學(xué)院）發(fā)現(xiàn)，佩切伊-奎因機(jī)制會(huì)引入一種新的粒子：軸子（axion，傳說這個(gè)名字借用于一個(gè)洗滌劑品牌，因?yàn)樗鼜氐椎厍宄藦?qiáng)相互作用CP問題）。到了20世紀(jì)80年代中期，理論物理學(xué)家得出結(jié)論，宇宙大爆炸能夠產(chǎn)生出足以構(gòu)成暗物質(zhì)的大量軸子。

    理論并沒有告訴我們軸子到底多重，軸子跟普通物質(zhì)發(fā)生相互作用的幾率到底是多少。但我們知道，軸子必然很不活躍，因?yàn)榈侥壳盀橹顾械牧Ｗ訉?duì)撞機(jī)和其他實(shí)驗(yàn)都沒有找到它們。既然軸子極不活躍，那它們很可能也非常輕。

    1987年，一次重大天文事件幫助物理學(xué)家進(jìn)一步限制了軸子質(zhì)量的范圍。那一年，我們銀河系旁邊的一個(gè)矮星系大麥哲倫云發(fā)生了一次超新星爆發(fā)。這顆恒星在塌縮時(shí)幾乎將自己全部的引力束縛能以中微子的形式釋放出去，其中一些中微子進(jìn)入了我們地球上的地下探測器。如果軸子的質(zhì)量僅有幾個(gè)毫電子伏除以光速的平方（meV/c2，電子質(zhì)量的十億分之一多一點(diǎn)），它們就會(huì)在這次超新星爆發(fā)中產(chǎn)生出來，并且會(huì)改變中微子到達(dá)地球的時(shí)間。但實(shí)際觀測并沒有發(fā)現(xiàn)這種改變，所以我們能推測軸子的質(zhì)量必然比這個(gè)數(shù)值還小。如此之輕的軸子與普通物質(zhì)或輻射的相互作用極其微弱。舉個(gè)例子，相對(duì)常見的中性π介子衰變成兩個(gè)光子的速率差不多是每10-16秒一次。而一個(gè)輕的軸子衰變成兩個(gè)光子的速率是每1045年一次，這個(gè)時(shí)間尺度比宇宙的年齡還要高許多許多個(gè)量級(jí)。也就是說，軸子是目前我們已知的粒子中最不活躍的一個(gè)。

    有趣的是，如果軸子的質(zhì)量太小，我們就會(huì)遇到新的問題。因?yàn)樵谟钪嬲Q生之初產(chǎn)生軸子的過程非常復(fù)雜，軸子的質(zhì)量越輕，軸子的質(zhì)量密度就越大。如果軸子的質(zhì)量太小，大爆炸就會(huì)制造出太多的軸子，比解釋暗物質(zhì)所需要的還多。這種機(jī)制存在非常大的不確定性，理論物理學(xué)家也提出了許多非常聰明的方法來規(guī)避這個(gè)問題，但我認(rèn)為，如果軸子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于1微電子伏除以c2（μeV/c2）就難以自圓其說。

    總結(jié)一下，軸子不能很重，否則的話我們?cè)缇湍芡ㄟ^粒子對(duì)撞機(jī)或者觀測它對(duì)超新星爆發(fā)的影響發(fā)現(xiàn)它了。軸子也不能太輕，不然就會(huì)產(chǎn)生出過多的暗物質(zhì)。準(zhǔn)確地確定軸子的質(zhì)量范圍非常困難，但是暗物質(zhì)軸子的質(zhì)量在1μeV/c2~1 meV/c2左右是很合理的。這個(gè)范圍就是軸子質(zhì)量的“最佳擊球點(diǎn)”，但是這樣的粒子與普通物質(zhì)和輻射的相互作用過于微弱，所以也被稱為“不可見軸子”。

暗物質(zhì)候選者

在整個(gè)宇宙內(nèi)，星系和星系團(tuán)中有一些看不見的物質(zhì)對(duì)普通物質(zhì)施加了引力，但它們是什么？科學(xué)家認(rèn)為這些“暗物質(zhì)”占了我們宇宙總質(zhì)量和能量的四分之一，并提出了幾種可能的理論來解釋它。此圖羅列出了不同種類的可能選項(xiàng)。

?這種類型的物質(zhì)構(gòu)成了原子，也構(gòu)成了所有的星系、恒星、行星以及人類。我們能直接看到的物質(zhì)全都是它。

?宇宙的大部分似乎都是“暗能量”，科學(xué)家將導(dǎo)致空間加速膨脹的東西稱為“暗能量”。

?科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)是所有已知粒子之外的物質(zhì)。除通過萬有引力之外，暗物質(zhì)幾乎不與普通物質(zhì)相互作用。

?觀測發(fā)現(xiàn)，大部分的暗物質(zhì)應(yīng)該是“冷”的，也就是說暗物質(zhì)移動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速，這樣暗物質(zhì)才更容易聚集成團(tuán)，而“熱”的暗物質(zhì)因?yàn)樗俣瓤於灰壮蓤F(tuán)。

①“弱相互作用大質(zhì)量粒子”一直是最受青睞的暗物質(zhì)候選者，但針對(duì)它的實(shí)驗(yàn)搜索至今一無所獲。

②軸子比WIMP質(zhì)量小得多，要為宇宙貢獻(xiàn)相同的質(zhì)量，其數(shù)量也要多得多。

③三種已知中微子之外的新型中微子，更不易于普通粒子相互作用。

④大量的低質(zhì)量黑洞也能解釋宇宙隱藏的質(zhì)量。

⑤理論物理學(xué)家還提出了許多可能選項(xiàng)，包括通過新的基本力而相互作用的粒子，以及暗質(zhì)子、暗中子和暗電子組成的暗物質(zhì)“原子”。

利用微波探測軸子

    當(dāng)奎因和佩切伊首次在理論上提出軸子存在，斯坦福大學(xué)和其他地方的物理學(xué)家就開始在粒子對(duì)撞機(jī)中尋找軸子。軸子與普通物質(zhì)和輻射之間的相互作用極其微弱，正是這個(gè)性質(zhì)讓它成了暗物質(zhì)的有力候選者，但同樣也使得這些搜索實(shí)驗(yàn)希望渺茫。這真的很令人沮喪，我們沐浴在軸子的海洋里，每立方厘米的空間就含有大約十萬億個(gè)軸子，但我們卻不能在實(shí)驗(yàn)室里造出它們。

    佛羅里達(dá)大學(xué)的皮埃爾·西基維（Pierre Sikivie）想到了一個(gè)非常聰明的辦法：與其在加速器中造軸子，我們不如直接找宇宙中的軸子，畢竟，這些軸子構(gòu)成了彌漫在我們周圍的遼闊暗物質(zhì)海洋。西基維設(shè)想了一個(gè)內(nèi)部存在磁場的圓柱形腔體，除了在空間中流動(dòng)的宇宙軸子外，其他任何東西都不能進(jìn)入這個(gè)腔體。當(dāng)軸子與磁場發(fā)生相互作用時(shí)，軸子的全部能量都轉(zhuǎn)化為光子。如果我們把該腔體的共振頻率調(diào)節(jié)到與軸子轉(zhuǎn)換出光子的頻率相同時(shí)，這一反應(yīng)發(fā)生的概率就會(huì)更高。因?yàn)檩S子的質(zhì)量很小，而且我們附近的宇宙軸子的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該與銀河系中其他物體是同樣量級(jí)，所以軸子的能量很小，轉(zhuǎn)換出來的光子大致在微波波段。具體在哪，也只有當(dāng)我們知道軸子的精確質(zhì)量時(shí)才能明了。所以，實(shí)驗(yàn)就需要不停地調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)腔的共振頻率來“掃描”可能的區(qū)間，寄希望于我們能夠恰巧匹配到軸子的頻率。

    最終的信號(hào)應(yīng)該非常微弱，可能只有10瓦甚至更小，而伴隨而來的噪聲也差不多也在同樣的量級(jí)。因此高靈敏度的微波探測器，還有足夠持久的信號(hào)收集時(shí)間是這項(xiàng)任務(wù)的重中之重。我的兩大愛好正好是微波電子學(xué)和粒子物理，所以在我看來，西基維的想法非常完美地把這兩者結(jié)合在了一起。

軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)

    20世紀(jì)80年代，我從斯坦福大學(xué)拿到了博士學(xué)位，那時(shí)奎因和佩切伊的影響力還在，軸子給我留下了很深的印象。它們似乎能解決物理學(xué)的兩個(gè)巨大的謎題——強(qiáng)相互作用CP問題和暗物質(zhì)。而西基維的文章發(fā)表后，我們找到了一個(gè)探測軸子的方法。

    離開斯坦福后，我到了芝加哥大學(xué)，在那里我非常榮幸地以恩里克·費(fèi)米學(xué)者的身份在詹姆斯·W·克羅寧（JamesW. Cronin）手底下工作。正是在那里，我了解到了最早幾個(gè)把西基維的想法付諸實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)，包括羅切斯特-布魯克海文-費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（Rochester-Brookhaven-Fermilab）實(shí)驗(yàn)和佛羅里達(dá)大學(xué)的一個(gè)項(xiàng)目。雖然這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的靈敏度不足以在合理的質(zhì)量范圍內(nèi)探測到軸子，但正是它們開發(fā)出了所有后續(xù)實(shí)驗(yàn)都在使用的硬件技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)硬件

    如果軸子就在我們周圍，當(dāng)它們非常偶然地衰變成微波光子時(shí)，ADMX就能發(fā)現(xiàn)它們。為了提高衰變的概率，實(shí)驗(yàn)使用了強(qiáng)磁場和微波共振腔，如果將共振腔頻率調(diào)節(jié)到與軸子轉(zhuǎn)變的光子相同，就能提高軸子的轉(zhuǎn)換效率。2016年，該實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了新的階段，開始了迄今為止靈敏度最高的測量。

①抵抗磁鐵

抵抗磁鐵這個(gè)小一點(diǎn)的磁鐵能中和或者抵抗主磁鐵在SQUID放大器區(qū)域產(chǎn)生的磁場，放大器需要靠光子產(chǎn)生的微弱磁場來探測信號(hào)。

②SQUID放大器

這個(gè)器件利用量子力學(xué)效應(yīng)來探測和放大軸子衰變成的光子的微弱信號(hào)。

③微波腔

整個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心，如果軸子構(gòu)成了暗物質(zhì)，那它們現(xiàn)在應(yīng)遍布空間，科學(xué)家期望軸子在合適的條件下會(huì)在微波腔內(nèi)轉(zhuǎn)變成微波光子。

④8特斯拉磁鐵

實(shí)驗(yàn)中的主磁鐵，其在微波腔內(nèi)產(chǎn)生的磁場能促使軸子衰變?yōu)楣庾印?/p>

    在芝加哥大學(xué)期間，我跟當(dāng)時(shí)任職于勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的卡爾·范比伯（Karl van Bibber）和佛羅里達(dá)大學(xué)的戴維·坦納（David Tanner）討論過，認(rèn)識(shí)到我們還可以改進(jìn)探測技術(shù)。首先我們可以采用帶有強(qiáng)磁場的大體積腔體，這會(huì)讓我們離期望的靈敏度更近一步，而剩下的就是要用更好的微波放大器。放大器是提取并放大軸子產(chǎn)生的極微弱微波信號(hào)的關(guān)鍵，而當(dāng)時(shí)我們能找到的晶體管放大器噪聲太大了。我們想要的放大器應(yīng)該只受限于來自量子不確定性的噪聲，這種噪聲是不可避免的，但當(dāng)時(shí)在我們想要的頻率范圍內(nèi)還沒有這種放大器。

    所以這就是ADMX項(xiàng)目的構(gòu)思：我們要從一個(gè)大磁鐵開始，還需要最好的微波放大器，并且要用液氦把實(shí)驗(yàn)裝置冷卻到4.2開爾文來降低噪聲。實(shí)驗(yàn)中期我們會(huì)致力于開發(fā)達(dá)到量子極限的微波放大器。長期目標(biāo)則是再增加一套“稀釋制冷機(jī)”，這套系統(tǒng)可以將腔體和放大器的溫度降到100毫開爾文，進(jìn)一步降低噪聲。這是一個(gè)十分耗時(shí)耗力的項(xiàng)目，每一階段都要花費(fèi)十年左右的時(shí)間。幸運(yùn)的是，美國能源部的高能物理組給了我們很大的支持，我們的理想一直引領(lǐng)我們不斷前行。

量子放大器

    1993年，我到了麻省理工學(xué)院做助理教授，一到那里我們就建立了一個(gè)合作組開始實(shí)驗(yàn)。勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室給我們提供了大型超導(dǎo)磁鐵和實(shí)驗(yàn)場地。勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室里天才物理學(xué)家沃爾夫?qū)な┨胤颍╓olfgangStoeffl）完成了初期的制冷設(shè)計(jì)，現(xiàn)在我們都還在使用他的這套精巧的系統(tǒng)。坦納在佛羅里達(dá)大學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上構(gòu)思并開發(fā)了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)部構(gòu)造。我們?cè)诼槭±砉さ膱F(tuán)隊(duì)搭建了超低噪聲的微波信號(hào)接收器來提取信號(hào)。1998年，我們發(fā)表了早期ADMX“零期”的初步結(jié)果，這是世界上第一個(gè)靈敏度足以在合理的質(zhì)量范圍內(nèi)探測軸子的實(shí)驗(yàn)。我們沒有發(fā)現(xiàn)軸子，但這已經(jīng)是一個(gè)良好的開端了。

    同時(shí)我們也在繼續(xù)尋找對(duì)軸子產(chǎn)生的微弱微波信號(hào)足夠敏感的放大器。差不多就在那時(shí)，我聽了加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的量子器件物理學(xué)家約翰·克拉克（JohnClarke）關(guān)于量子放大的報(bào)告。克拉克一直致力于超導(dǎo)量子界面器件（SQUID）的研究，這種器件利用到了量子隧穿現(xiàn)象，即粒子可以穿越宏觀物體無法通過的屏蔽或障礙。如果實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了一個(gè)光子，這個(gè)光子就會(huì)在SQUID上產(chǎn)生微弱的磁場，以一種可測量的方式擾亂隧穿效應(yīng)。這種器件非常靈敏，但還沒有適用于微波頻率的產(chǎn)品。為此，克拉克開發(fā)出了微條式直流SQUID放大器，這個(gè)小裝置有著非常巧妙的幾何結(jié)構(gòu)，可以讓SQUID在更高的頻率下運(yùn)行。

    這個(gè)方案前景光明，但我們還是遇到了麻煩。SQUID上的微弱信號(hào)磁場會(huì)淹沒在ADMX腔體內(nèi)的強(qiáng)磁場中。美國能源部審核了我們的計(jì)劃，并把SQUID問題標(biāo)記為“高度風(fēng)險(xiǎn)”。那時(shí)，也就是2002年初，我加入了勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室，合作者和我決定將ADMX分為兩個(gè)連續(xù)的階段：“1a期”用來證明SQUID可以在實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)磁場下正常工作。之后的“1b期”將采用稀釋制冷機(jī)使實(shí)驗(yàn)降到我們期望的溫度。

    我們需要研發(fā)一套系統(tǒng)來保護(hù)SQUID的敏感磁場免受實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)磁場的影響，以此為起點(diǎn)，我們開始了“1a期”。我們用一組嵌套在一起的屏蔽體和磁鐵來包裹一塊名為抵抗線圈的大磁鐵，這套裝置可以中和或者“抵抗”主磁場。2005年左右，我們證明了這套系統(tǒng)是有效的，然后我們開始了ADMX 1b期的主要任務(wù)——制造稀釋制冷機(jī)。

繼續(xù)提升靈敏度

    差不多在這個(gè)時(shí)候，我去了華盛頓大學(xué)任職，ADMX實(shí)驗(yàn)也隨我一起來到有了大幅改善的新場地。同時(shí)能源部和國家科學(xué)基金正在提出“第二代”暗物質(zhì)探測器的概念，試圖將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的靈敏度大幅提升。他們支持的實(shí)驗(yàn)大多還是在搜尋WIMP，但他們對(duì)軸子也感興趣。AMDX 1b期正好踩在“第二代”計(jì)劃節(jié)點(diǎn)上，而且第二代ADMX也在孕育中。第二代ADMX計(jì)劃在2016年啟動(dòng)，持續(xù)運(yùn)行到2021年，這次我們將最終把稀釋制冷機(jī)整合到我們的實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)也將我們的有效數(shù)據(jù)采集率提高了一倍多。我們還采用了一些額外的措施來提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度，如此它就稱得上是“徹底探測”了——將1~40μeV/c2這個(gè)質(zhì)量范圍內(nèi)的軸子徹底清掃一遍，這個(gè)范圍包含了理論預(yù)測的暗物質(zhì)軸子質(zhì)量的“最佳擊球點(diǎn)”。

    ADMX實(shí)驗(yàn)由許多復(fù)雜的部分組成，這些部分必須要協(xié)同工作，現(xiàn)在這些小系統(tǒng)多數(shù)已經(jīng)得到了高度優(yōu)化，非?？煽俊Ｏ馎DMX實(shí)驗(yàn)一樣，我們的合作組也已發(fā)展壯大到包含勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、佛羅里達(dá)大學(xué)、華盛頓大學(xué)、圣路易斯華盛頓大學(xué)、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室、美國國家射電天文臺(tái)和英國謝菲爾德大學(xué)等合作單位。ADMX新的領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)也已成立，聯(lián)合發(fā)言人是華盛頓大學(xué)的格雷·雷布卡（Gray Rybka）和勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的詹保羅·卡羅西（Gianpaolo Carosi）。

    盡管現(xiàn)在我們搜尋的是暗物質(zhì)軸子最有可能的質(zhì)量范圍，但是大自然總能出人意料。搜索再輕一點(diǎn)的質(zhì)量范圍并不難實(shí)現(xiàn)，但讓我們的實(shí)驗(yàn)延伸到更高的質(zhì)量就是不小的挑戰(zhàn)了。隨著軸子質(zhì)量的增長，微波腔的共振頻率也需要提高，因此腔體的直徑就得變小，這就導(dǎo)致搜尋軸子時(shí)可用的體積變小了。我們可以在一個(gè)大磁鐵中分裝多個(gè)共振腔來維持較大的體積，但這樣做的話就會(huì)變成一個(gè)“瑞士手表問題”：整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性令人望而卻步。我們也能通過提高磁場強(qiáng)度來補(bǔ)償體積變小帶來的損失，提高磁場花費(fèi)巨大，但我們正在研究這種可能性。也許在5~10年內(nèi)，磁場強(qiáng)度的提高——達(dá)到32甚至40特斯拉，就能拓展我們探測的質(zhì)量范圍。而如果軸子質(zhì)量比我們的探測范圍高得多，接近1 meV/c2，天文學(xué)家就有可能觀測到來自太空的軸子信號(hào)。如果軸子質(zhì)量在這個(gè)范圍，而且構(gòu)成了星系周圍的暗物質(zhì)暈，那么射電望遠(yuǎn)鏡就應(yīng)該能探測到非常微弱的發(fā)射譜線。

    最終，ADMX和其他的項(xiàng)目能夠徹底搜遍理論允許的暗物質(zhì)軸子質(zhì)量窗口。相較于一些我們可能永遠(yuǎn)也無法徹底檢驗(yàn)的候選者，軸子的整個(gè)合理質(zhì)量區(qū)間都可通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，這一點(diǎn)使得軸子成為更受歡迎的暗物質(zhì)候選粒子。

    隨著我們實(shí)驗(yàn)工作不斷推進(jìn)，理論物理學(xué)家也在嘗試著去理解暗物質(zhì)的本質(zhì)。一些在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的精確宇宙學(xué)模型也正在嘗試給出更加可靠的軸子質(zhì)量預(yù)測。也有可能，軸子在宇宙中聚集的形式在大小尺度上都是與WIMP不一樣的。未來的天文觀測設(shè)備，例如于2019年投入使用的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡也許能繪制出足夠精確的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，讓科學(xué)家在不同的暗物質(zhì)候選者間做出甄別。

    還有一種可能性就是，量子色動(dòng)力學(xué)所預(yù)言的軸子只是某種存在于更高能標(biāo)下的更宏大物理理論的一種表現(xiàn)。其中一種理論——弦論，就預(yù)言軸子的質(zhì)量比ADMX所測量的區(qū)域要小得多。然而像它的種種預(yù)言一樣，弦論在很大程度上仍只是推測。

    20年前，物理學(xué)界的共識(shí)是暗物質(zhì)就是由WIMP構(gòu)成的，從那以后，研究者對(duì)軸子的熱情逐漸高漲。在不遠(yuǎn)的將來，我們應(yīng)該就能知道它們到底是不是宇宙黑暗面的答案。

本文譯者  周小朋是北京大學(xué)物理學(xué)院博士生，研究方向是地下暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)。

擴(kuò)展閱讀

A New Light Boson? Steven Weinberg in PhysicalReview Letters, Vol. 40, No. 4, pages 223–226;January 23, 1978.

Problem of Strong P and T Invariance in thePresence of Instantons. F. Wilczek in PhysicalReview Letters, Vol. 40, No. 5, pages 279–282;January 30, 1978.

Axions, Domain Walls, and the Early Universe.P. Sikivie in Physical Review Letters, Vol. 48,No. 17, pages 1156–1159; April 26, 1982.

Cleaning Up after Einstein. Corey S. Powell;September 2015.