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暗物質實驗意外發現軸子訊號 再添粒子物理謎團

2020/6/19 — 9:40

圖片素材來源:XENON1T

圖片素材來源:XENON1T

有國際團隊周三 (17/6) 指,可能是有史以來首次發現假設的次原子粒子 (subatomic particle) 軸子。

軸子 (axion) 是種未被確認、假設的超輕粒子,其存在超越粒子物理學描述次原子行為的標準模型。理論物理學家首先在 1970 年代末提出軸子的存在,以解決控制強相互作用 (strong force) 的數學問題,強相互作用將稱為夸克 (quark) 的基本粒子結合在一起。自此軸子成了對暗物質的一種流行解釋,不發光的暗物質是佔宇宙質量約 85% 的神秘物質。

圖片來源:XENON1T

圖片來源:XENON1T

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即使發現得到其他團隊證實,目前尚不確定軸子是否真的會解決強相互作用的不對稱 (CP assymmetry) 問題。有參與研究的東京大學物理學 Kai Martens 指,軸子並不能解釋宇宙中大部分質量缺失的問題。這些看起來像是從太陽釋出的軸子,並不像物理學家認為的「冷暗物質 (cold dark matter) 」 一樣填充星系周圍的光暈;後者自早期宇宙出現數十億年以來,大部分乎一直無改變。

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團隊指現時所得到的訊號,是在意大利 Gran Sasso 國家實驗室在 2016–2018 年收集到。實驗室有一個地下裝滿 3.5 噸液態氙 (xenon) 的檢測容器進行稱為 XENON1T 的實驗。暫時時至少有兩個物理影響可解釋收集到的數據。不過,團隊已測試了幾種理論,發現從太陽中流出軸子是其結果的最可能解釋。

XENON1T 檢測器懸掛在其周圍防護罩的中心
Credit: IMPU

XENON1T 檢測器懸掛在其周圍防護罩的中心
Credit: IMPU

實驗原理

由於 XENON1T 深入地下,將大多數輻射源隔絕,只有少數粒子包括暗物質可能會進入容器,並與內部液體中的原子碰撞,從而刺激其閃爍。這些閃光大多數都很易被解釋,通常為物理學家已知粒子相互作用的結果。不過,團隊想找出這些已知粒子相互作用以外的閃光,如果找到的話將表明存在未知的粒子。

宣佈則是 XENON 檢測器首次測到額外、在低能量範圍內的閃光活動峰值,而數值與太陽釋出的軸子相符。到目前為止,結果已部分排除了另一類暗物質,即大質量弱相互作用粒子 (WIMPS) 。在大多數 WIMP 所能產生的能量水平上, XENON1T 沒有檢測到足夠的閃光來支持其存在,但實驗在過去從未有發現過任何新粒子的證據。

有物理學家對發現表示懷疑,認為可能有一些以前未被考慮的背景源頭影響到發現。例如即使深入地下,仍有一些輻射源頭產生的粒子會接觸到 XENON1T 的感應器,而該些粒子可能有軸子與液體氙相似的相互作用。另外,團隊亦未有公佈發現的數據和上載文件讓其他學者參閱。

Martens 強調團隊 99.98% (3-sigma) 確認發現到的是來自軸子訊號。他補充,這代表隨機背景輻射產生信號的概率大約是萬分之二。通常,物理學家只會在結果達到 5-sigma 顯著性,才宣布「發現」新粒子,要到這個程度,代表訊號由隨機背景輻射產生的概率為 350 萬分之一。

來源:
Live Science, BREAKING: Physicists announce first direct evidence for 'axions’, 17 June 2020

文/Alan Chiu 、審核/David Yu

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