位於意大利格蘭薩索地下實驗室的全球最靈敏暗物質實驗XENON1T（“氙一噸”）宣布觀測到了來源不明的意外結果，可能是一種被稱作“軸子”（Axion）的新粒子。軸子在1977年被物理學家預言存在，是一種超出粒子物理標準模型的存在，由諾獎得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）命名。

不過，XENON國際合作組織並未排除其他更常規的可能性，例如是微量氚雜質產生的誤差。

XENON實驗

為什麼暗物質探測實驗沒有發現暗物質，反而冒出來一個“軸子”？

什麼是軸子？

43年前，“軸子”假說的提出是為了深入解釋現代物理中的對稱性問題。

1956 年李政道、楊振寧與吳健雄等人提出並在實驗上驗證了宇稱P在弱相互作用中不守恆。後來人們發現弱相互作用中正反粒子共軛（C）與宇稱（P）的聯合變換CP 也不守恆。C 變換即將一個粒子變成它的反粒子，P 變換即空間坐標反演。

那麼，強相互作用中CP變換守不守恆呢？

1977年，諾獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）和維爾切克提出了軸子模型。在解決強CP 問題的方案之中，軸子最為自然，也最為優雅，引起了眾多關注。

根據模型，軸子是一種質量很小的粒子，可能只有電子質量的萬億分之一。它與其他物質相互作用極其微弱，因此很難通過對撞機等高能物理實驗裝置尋找。

不過，同樣根據理論，軸子與光子在強電磁場中會相互轉化。太陽因此應是一個天然軸子源。

位於高能物理聖地——歐洲核子中心的“太陽軸子望遠鏡”（CAST）就利用加速器磁鐵將理論上存在的軸子轉化為光子，從而探測是否有源自太陽的軸子流存在。

暗物質候選人？

有趣的是，為了解決粒子物理理論問題而提出的軸子模型，也可能破解天體物理學家苦苦尋覓的暗物質謎團。雖然它並非暗物質最主流的候選人，但也無法排除。

所謂暗物質，指的是它不與光相互作用，無法被“看”到，但它的存在切切實實地影響到了可見物質的運動，從星係到宇宙學尺度上的觀測均可驗證。

比如，我們所在的太陽系圍繞銀河系中心旋轉的實際速度，明顯快於基於牛頓引力定律的計算結果。這意味著，銀河系中存在大量不可見的神秘物質提供了額外的引力。若非如此，太陽系早該被“甩”出去才是。這些不可見的物質，質量應該高達宇宙中物質總量的85%，遠遠大於我們認知的物質。

之前最主流的模型，是一種被稱為弱相互作用大質量粒子（WIMP）的粒子。它參與引力和弱核力，質量相對較大。根據計算預測，每分每秒都有無數暗物質粒子穿透地球。

因此，XENON實驗、中國四川錦屏山地下隧道裡的PandaX實驗、美國南達科他州廢棄金礦下的LUX實驗，都採取了守株待兔的思路：囤積數以噸計的液氙，等待與暗物質粒子進行一次“電光石火”的碰撞。

一旦WIMPs與其中一個氙原子發生了碰撞，其衝能就會轉化為光電信號，被探測器中靈敏的光電管記錄下來。實驗室設立在千米深的地下，是為了更好地屏蔽外界的噪音。

多出來的53個信號

雖然模型很受歡迎，但WIMPs存在的概率越來越渺茫。

在國際上各個團隊的合作競爭中，液氙實驗的精確度不斷被刷新，排除的範圍越來越大，提出的限制越來越高，人類仍是一無所獲。這意味著，留給WIMPs的理論存在空間越來越狹窄。

上一個對WIMPs質量提出最新限制的實驗組，正是XENON1T。

XENON國際合作組織由來自10個國家（地區）、28個研究機構的163名研究人員組成，主要分佈在歐、美、日。

雖然名字叫“氙一噸”，但該實驗目前實際用到了3.2噸超純液氙，其中2噸用於被撞。

當然，科學家們考慮到了會有已知的常規粒子闖入其中。他們預期這些粒子會產生232個信號。

沒想到，最終實驗出現了285個信號。既然不符合WIMPs的特徵，這多出來的53個，從何而來？

3種可能性

在當日舉行的在線研討會上，XENON科學家們給出了三種可能的解釋。相關論文也同時上傳到預印本網站ArXiv上。

第一，也是最“正常”、沒有新物理的一種，是探測器裡混入了微量氫的同位素氚（一個氚原子由一個質子和兩個中子構成）。事實上，只要每10^25（1000000000000000000000000！）個液氙原子混入幾個氚原子，就能造成這53個多餘事件。目前，尚無測量結果能證實或排除這一點。

第二，也是最令人興奮的一種，就是太陽軸子產生了光電信號。雖然這些由太陽產生的軸子不可能是宇宙暗物質的來源，但證明新粒子的存在本身就是重磅發現。

第三，就是另一種質量非常小、每時每刻都在大量穿透地球的粒子——中微子。不過，如果要產生這個量級的多餘信號，中微子需要具備此前未知的一些物理屬性。因此，這個可能性也包含新物理因素。

上述三種可能性的顯著性都很可觀，從信號能譜等信息來看，與太陽肘子模型最為吻合。不過，XENON國際合作組織強調現有證據尚不足以下結論。

隨著未來“氙一噸”升級成“氙幾噸”（XENONnT）,液氙規模增加2倍，背景噪音也會進一步壓低，實驗才可能給出最終的答案：是數據波動，是雜質污染，還是激動人心的新物理？