书写轴子传奇

物理定律不随时间前后推移而改变，而时间似乎只朝一个方向移动。物理学家把逆转时间之箭的变换称为“时间反演”，或者简称为T。他们把T不改变基本定律的（近似）事实称为“T不变性”。

为什么大自然如此精确地执行T不变性？人们提出了几种解释，但只有一种经受住了时间的考验。核心观点来自罗伯托·佩切伊（Roberto Peccei）和海伦·奎因（Helen Quinn），但他们忽视了其观点的一个重要的、可检验的结果。据预测，由他们所引入的中和场会产生一种粒子，而这种粒子具有一些显著的性质。但他们没有注意到这些粒子，因此没有为其命名。这给了我一个实现早年梦想的机会。

若干年前，超市里一种名叫Axion的包装颜色鲜艳的洗衣粉吸引了我的目光。我突然想到Axion（轴子）听起来像一个粒子的名字。所以当我注意到有一个新的粒子用axial（轴向）电流“解决”了一个问题时，我看到了机会。史蒂文·温伯格也注意到了这个粒子，他一直称其为Higglet，他明智且大度地放弃了这个名字。于是一个传奇开始了，其结局仍有待书写。

弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）麻省理工学院物理学家

在关于粒子数据组的历史记录中，你会发现好几页涵盖了几十个实验的不成功的轴子搜索描述。然而，是有理由乐观的。

轴子理论普遍性地预言：轴子应该是非常轻、寿命很长的粒子，它们与普通物质的相互作用非常微弱。但是为了比较理论和实验，我们需要定量。在这里我们遇到了模糊性，因为现有的理论并不能确定轴子质量的值。如果我们知道轴子的质量，我们就可以预测它的所有性质。但是质量本身可以在很大范围内变化。（同样的基本问题也出现在粲夸克、希格斯粒子、顶夸克和其他几个夸克身上。在每一个粒子被发现之前，理论就预测了它的所有性质，除了它的质量值。）结果发现轴子相互作用的强度与它的质量成正比。因此，随着轴子质量的假设值减小，轴子变得更加难以捉摸。

在初期，物理学家专注于轴子与希格斯粒子密切相关的模型。这些想法表明，轴子的质量应该是10千电子伏（keV），也就是说，大约是电子质量的1/50。我之前提到的大多数实验都是为了寻找具有这种特性的轴子。到目前为止，我们可以确信这样的轴子是不存在的。

因此，人们的注意力转向了更小的轴子质量值（从而导致更弱的耦合），这并没有被实验排除在外。这类轴子在统一了标准模型的相互作用的模型中非常自然地出现。它们也出现在弦理论中。

据我们计算，轴子应该在大爆炸的早期大量产生。如果轴子真的存在，那么轴子流将遍布宇宙。轴子流的起源与著名的宇宙微波背景（CMB）辐射的起源极为相似，但这两种物质之间有三大区别：第一，微波背景被观察到了，而轴子流仍然是一种假设。第二，由于轴子有质量，因此轴子流对整个宇宙的质量密度贡献很大。事实上我们计算得出，它们所贡献的质量大致相当于天文学家所认定的暗物质质量！第三，由于轴子的相互作用非常微弱，它们比来自CMB的光子更难观测到。

对轴子的实验性搜索仍在几个方面进行。其中两个最有希望的实验都是为了探测轴子流。其中之一的ADMX（轴子暗物质实验）使用特制的超灵敏天线将背景轴子转换为电磁脉冲。另一个实验——CASPEr（宇宙轴子自旋进动实验）寻找由轴子流所引起的核自旋运动中的微小摆动。这些困难的实验有望覆盖几乎所有可能的轴子质量。

轴子存在吗？我们还不确定。它们的存在将为T不变性研究带来一个戏剧性的、令人满意的结局，而且很可能解决暗物质之谜。比赛正在进行中。

——星野译自Quanta Magazine