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。

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。

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。

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。

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”。

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。

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。

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。

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氚污染了，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。

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。

参考信源：

1. New York Times, Seeking Dark Matter, They Detected Another Mystery

https://www.nytimes.com/2020/06/17/science/xenon-axions-neutrinos-tritium.html

2. Scientific American, Is Dark Matter Made of Axions?,

https://www.scientificamerican.com/article/is-dark-matter-made-of-axions/

3. Physics Info, The Standard Model

https://physics.info/standard/#:~:text=The%20Standard%20Model%20is%20the,of%20additional%20particles%20as%20well.

4. Live Science, What Is the Strong Force?

https://www.livescience.com/48575-strong-force.html#:~:text=The%20strong%20nuclear%20force%20is,matter%20to%20form%20larger%20particles.

5. Purdue, Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T,

https://www.science.purdue.edu/xenon1t/wp-content/uploads/2020/06/xenon1tlowersearches.pdf

6. Zme Science, What does 5-sigma mean in science?

https://www.zmescience.com/science/what-5-sigma-means-0423423/

7. Science Alert, Physicists Detect Unexplained Particle Interactions While Searching For Dark Matter,

https://www.sciencealert.com/a-search-for-dark-matter-has-detected-unexplained-particle-interactions

8.Live Science, BREAKING: Physicists announce first direct evidence for 'axions',

https://www.livescience.com/first-evidence-for-axions-xenon.html

9. BBC, Dark matter hunt yields unexplained signal

https://www.bbc.com/news/science-environment-53085260

延伸阅读

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作者：Kai

责编：小文、羽华

月17日，国际液氙合作组（XENON Collaboration）的物理学家团队宣布了一则消息，尽管他们并没有真正发现什么东西，却依然足以引起轰动。

XENON合作组是一个由来自20多个不同国家的160多名科学家构成的科研团队，他们运行着世界上最灵敏的探测器来寻找神秘的暗物质粒子。暗物质是一种被认为遍及每个星系但尚未被确认的神秘物质，并认为它们为阻止星系在旋转过程中分崩离析提供了额外的引力。

最近，团队的物理学家在他们的探测器中发现了一系列意料之外的奇怪事件，这些事件可以有几种可能的解释。

第一种符合这些事件特征的是一种被称为轴子的假想粒子。第二种可能是中微子，但这不是我们熟悉的普通中微子，而是具有比我们想象中更强磁性的中微子。无论是这两种可能中的哪一种，都能让粒子物理学家激动不已。因为几十年来，粒子物理学家一直试图寻找标准模型预测之外的东西，可迄今为止却没有任何发现。

然而，对于这样的结果，大多数科学家对此既兴奋又谨慎。因为在暗物质的探索记录中，这样的“奇异”事件已经不是第一次出现了，它们大多都与这次XENON探测的奇怪信号很像——都是在一开始显现出了一些无法解释的特征，然而随着更多的后续数据的出现，变得不再神奇。所以，理性说来，第三种可能性是探测器受到了氚污染，从而影响了被探测到的信号。

目前，没有任何人知道，这些预期之外地出现在探测器中的东西究竟是什么。

XENON实验项目是在意大利地下的格兰萨索国家实验室进行的，科学家们在那里建造了一系列大型的专门用于寻找暗物质的探测器。XENON1T是XENON实验的最新版探测器，它的运行时间在2016年和2018年之间，含有数吨的液态氙。

研究人员将各种灵敏的传感器与一系列含有液态氙的容器相连。| 图片来源：国际液氙合作组

在黑暗的地底，大部分辐射会被屏蔽在外，但仍然有少数粒子可以进入到装有液态氙的容器中，与里面的氙原子发生碰撞，释放出闪光。大多数的这些闪光很容易解释，物理学家已经知道了一些粒子的相互作用是什么样子的。

在对XENON1T实验的最新分析中，研究人员的目标是寻找碰撞发生之后的电子反冲。根据理论模拟的计算，一年中应该可以产生大约232个这样的电子反冲。然而在2017年2月到2018年2月之间，探测器记录了285个位于一个特定能量区域的电子反冲，比预计的多了53个。

被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）是一种假象的暗物质粒子，这是一种由大爆炸遗留下来的奇异亚原子粒子，质量是氢原子的成百上千倍。当这种粒子在冰冷的液态氙中与氙原子核发生碰撞时，同样会制造出神秘的闪光和带电粒子云。

研究人员认为，撞击到氙原子上的粒子不可能是标准的WIMP，因为它们的质量太轻了。通过分析，他们发现这有可能的是另一种假想粒子——轴子。这是一种被用来解决强核力理论中的问题而提出的粒子。要足以解释来自XENON1T的信号，这些轴子的质量必须达到数千电子伏特——这几乎是理论预测的上限。轴子假设可以将数据拟合到3.5个标准差的置信水平，这种程度虽不足以被称为一个“新发现”，但足以引起关注。

中微子是解释这种额外事件的另一种选择。但如果是中微子的话，那么中微子的磁性就比标准理论所预测的要强得多。XENON合作组在声明表明，用中微子解释所看到的奇怪信号的置信水平是3.2个标准差。

这两种可能性都将引发一连串的警告。无论这是由轴子造成的还是由强磁性的中微子造成的，都会与一些与恒星行为的天体物理观测结果相冲突。

除了这两种令人兴奋的可能之外，不可排除的是这些信号可能只是来自于普通的来源——探测器内的氚污染。氚是氢的一种放射性同位素，它衰变时会释放出一个电子，这可能会被当做是一个事件而记录下来。虽然XENON合作组在一开始时就努力地从各个方面规避这种污染，并认为他们的过滤系统已经将其降低了很多，但只需每千克氙中存在三个氚原子就足以产生这种信号，因此他们并不能排除氚污染的可能性。氚假设同样可以将数据拟合到3.2个标准差的置信水平。

虽然这样的顾虑无疑为存在新的奇异粒子或有新的发现泼了一盆冷水，但这或许意味着，还有其他更奇异的情况没有被科学家纳入考量。

不过，物理学家们相信事情很快就会变得明晰起来。现在，XENON的研究人员已经开始着手建造和调试更新版本的探测器——XENONnT，它将含有8.3吨液态氙，一旦完成，便可以提供更清晰的统计数据。

此外，其他一些研究机构的科学家也在研究大型的液体氙探测器，如果其他探测器也能看到一些东西，那么奇异粒子的可能性就会提高。结果究竟如何，让我们拭目以待。

参考来源：

https://www.sciencemag.org/news/2020/06/dark-matter-hunters-inconclusive-signal-grabs-headlines

https://www.nytimes.com/2020/06/17/science/xenon-axions-neutrinos-tritium.html

https://www.scientificamerican.com/article/physicists-announce-potential-dark-matter-breakthrough/

封面图来源：国际液氙合作组

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月17日，国际液氙合作组（XENON Collaboration）的物理学家团队宣布了一则消息，尽管他们并没有真正发现什么东西，却依然足以引起轰动。

XENON合作组是一个由来自20多个不同国家的160多名科学家构成的科研团队，他们运行着世界上最灵敏的探测器来寻找神秘的暗物质粒子。暗物质是一种被认为遍及每个星系但尚未被确认的神秘物质，并认为它们为阻止星系在旋转过程中分崩离析提供了额外的引力。

最近，团队的物理学家在他们的探测器中发现了一系列意料之外的奇怪事件，这些事件可以有几种可能的解释。

第一种符合这些事件特征的是一种被称为轴子的假想粒子。第二种可能是中微子，但这不是我们熟悉的普通中微子，而是具有比我们想象中更强磁性的中微子。无论是这两种可能中的哪一种，都能让粒子物理学家激动不已。因为几十年来，粒子物理学家一直试图寻找标准模型预测之外的东西，可迄今为止却没有任何发现。

然而，对于这样的结果，大多数科学家对此既兴奋又谨慎。因为在暗物质的探索记录中，这样的“奇异”事件已经不是第一次出现了，它们大多都与这次XENON探测的奇怪信号很像——都是在一开始显现出了一些无法解释的特征，然而随着更多的后续数据的出现，变得不再神奇。所以，理性说来，第三种可能性是探测器受到了氚污染，从而影响了被探测到的信号。

目前，没有任何人知道，这些预期之外的出现在探测器中的东西究竟是什么。

XENON实验项目是在意大利地下的格兰萨索国家实验室进行的，科学家们在那里建造了一系列大型的专门用于寻找暗物质的探测器。XENON1T是XENON实验的最新版探测器，它的运行时间在2016年和2018年之间，含有数吨的液态氙。

在黑暗的地底，大部分辐射会被屏蔽在外，但仍然有少数粒子可以进入到装有液态氙的容器中，与里面的氙原子发生碰撞，释放出闪光。大多数的这些闪光很容易解释，物理学家已经知道了一些粒子的相互作用是什么样子的。

在对XENON1T实验的最新分析中，研究人员的目标是寻找碰撞发生之后的电子反冲。根据理论模拟的计算，一年中应该可以产生大约232个这样的电子反冲。然而在2017年2月到2018年2月之间，探测器记录了285个位于一个特定能量区域的电子反冲，比预计的多了53个。

被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）是一种假象的暗物质粒子，这是一种由大爆炸遗留下来的奇异亚原子粒子，质量是氢原子的成百上千倍。当这种粒子在冰冷的液态氙中与氙原子核发生碰撞时，同样会制造出神秘的闪光和带电粒子云。

研究人员认为，撞击到氙原子上的粒子不可能是标准的WIMP，因为它们的质量太轻了。通过分析，他们发现这有可能的是另一种假想粒子——轴子。这是一种被用来解决强核力理论中的问题而提出的粒子。要足以解释来自XENON1T的信号，这些轴子的质量必须达到数千电子伏特——这几乎是理论预测的上限。轴子假设可以将数据拟合到3.5个标准差的置信水平，这种程度虽不足以被称为一个“新发现”，但足以引起关注。

中微子是解释这种额外事件的另一种选择。但如果是中微子的话，那么中微子的磁性就比标准理论所预测的要强得多。XENON合作组在声明表明，用中微子解释所看到的奇怪信号的置信水平是3.2个标准差。

这两种可能性都将引发一连串的警告。无论这是由轴子造成的还是由强磁性的中微子造成的，都会与一些与恒星行为的天体物理观测结果相冲突。

除了这两种令人兴奋的可能之外，不可排除的是这些信号可能只是来自于普通的来源——探测器内的氚污染。氚是氢的一种放射性同位素，它衰变时会释放出一个电子，这可能会被当做是一个事件而记录下来。虽然XENON合作组在一开始时就努力地从各个方面规避这种污染，并认为他们的过滤系统已经将其降低了很多，但只需每千克氙中存在三个氚原子就足以产生这种信号，因此他们并不能排除氚污染的可能性。氚假设同样可以将数据拟合到3.2个标准差的置信水平。

虽然这样的顾虑无疑为存在新的奇异粒子或有新的发现泼了一盆冷水，但这或许意味着，还有其他更奇异的情况没有被科学家纳入考量。

不过，物理学家们相信事情很快就会变得明晰起来。现在，XENON的研究人员已经开始着手建造和调试更新版本的探测器——XENONnT，它将含有8.3吨液态氙，一旦完成，便可以提供更清晰的统计数据。

此外，其他一些研究机构的科学家也在研究大型的液体氙探测器，如果其他探测器也能看到一些东西，那么奇异粒子的可能性就会提高。结果究竟如何，让我们拭目以待。

参考来源：

https://www.sciencemag.org/news/2020/06/dark-matter-hunters-inconclusive-signal-grabs-headlines

https://www.nytimes.com/2020/06/17/science/xenon-axions-neutrinos-tritium.html

https://www.scientificamerican.com/article/physicists-announce-potential-dark-matter-breakthrough/

封面图来源：国际液氙合作组