利用先進技術和跨學科合作來揭開宇宙中這一難以捉摸的組成部分的秘密，旨在探測軸子的新實驗技術正在推進暗物質的探索。一個幽靈正在我們的宇宙中徘徊。幾十年來，天文學和宇宙學界一直都知道這一點。觀測結果表明，宇宙中約有85%的物質是神秘而不可見的。暗物質的名稱就反映了這兩種特性。

左側星系團，右側可見暗物質環。資料來源：NASA、ESA、MJ Jee 和H. Ford（約翰霍普金斯大學）

為了揭開它的神秘面紗，科學家們進行了數次實驗，但儘管科學家們進行了數十年的探索，仍然一無所獲。現在，我們正在美國耶魯大學進行的新實驗提供了一種新方法。

自古以來，暗物質就一直存在於宇宙中，將恆星和星系連接在一起。它無形而微妙，似乎不會與光或任何其他物質發生相互作用。事實上，它一定是一種全新的物質。

粒子物理學的標準模型是不完整的，這是一個問題。我們必須尋找新的基本粒子。令人驚訝的是，標準模型的同樣缺陷為我們提供了新粒子可能藏身之處的寶貴提示。

以中子為例。它與質子一起構成原子核。儘管中子總體上是中性的，但該理論認為它是由三個帶電的組成粒子（稱為夸克）構成的。正因為如此，我們會發現中子的某些部分帶正電，而有些部分則帶負電–這意味著它具有物理學家所說的電偶極矩。

然而，許多測量它的嘗試都得到了同樣的結果：它太小了，無法被偵測到，它又變成了一個幽靈。我們談論的不是儀器的不足，而是一個必須小於百億分之一的參數。它是如此微小，以至於人們懷疑它是否可能完全為零。

然而，在物理學中，數學上的”零”總是一個強而有力的陳述。在1970 年代末，粒子物理學家羅伯托-佩奇和海倫-奎恩（以及後來的弗蘭克-威爾切克和史蒂文-溫伯格）試圖將理論與證據結合。

他們認為，也許這個參數並不是零。相反，它是一個在宇宙大爆炸後慢慢失去電荷、演變為零的動態量。理論計算表明，如果發生了這樣的事件，它一定會留下許多輕盈、詭異的粒子。

因為它們可以”清除”中子問題，所以被冠以”axions”（一種洗滌劑品牌）之名。更有甚者。如果軸子是在早期宇宙中產生的，那麼它們從那時起就一直存在。最重要的是，它們的特性符合暗物質的所有預期。由於這些原因，軸子已成為暗物質最受歡迎的候選粒子之一。

軸子只會與其他粒子產生微弱的相互作用。然而，這意味著它們仍會發生一些相互作用。看不見的軸子甚至可以轉化為普通粒子，包括–諷刺的是–光子，光的本質。在特殊情況下，例如當磁場存在時，這種情況可能會發生。這對實驗物理學家來說簡直是天賜良機。

許多實驗都試圖在實驗室的受控環境中喚起軸子幽靈。例如，有些實驗旨在將光轉化為軸子，然後在牆的另一側將軸子重新轉換為光。

目前，最靈敏的方法是利用一種名為”光鏡”的裝置，瞄準瀰漫在銀河系（進而地球）中的暗物質光環。它是一個浸沒在強磁場中的導電空腔；前者捕捉我們周圍的暗物質（假設是軸子），後者誘導其轉化為光。其結果是在空腔內出現電磁訊號，並根據軸子質量以特徵頻率振盪。

該系統的工作原理類似於接收無線電。需要對其進行適當調整，以截取我們感興趣的頻率。實際上，腔體的尺寸會發生變化，以適應不同的特徵頻率。如果軸心和空腔的頻率不匹配，就像把收音機調錯頻道一樣。

強力磁鐵被移至耶魯大學實驗室。資料來源：耶魯大學

遺憾的是，我們尋找的頻道無法事先預測。別無選擇下只能掃描所有可能的頻率。這就好比用一台老式收音機在茫茫白噪音中尋找一個電台–大海撈針，每次轉動頻率旋鈕都要變大或變小。

然而，這些並不是唯一的挑戰。宇宙學指出，數十千兆赫是軸子搜尋的最新、最有希望的前沿領域。由於較高的頻率需要較小的腔體，因此探索此區域所需的腔體太小，無法捕捉到有意義的訊號量。

新的實驗正試圖尋找替代路徑。我們的軸心縱向等離子體光鏡（阿爾法）實驗使用了一個基於超材料的新概念腔體。

超材料是一種複合材料，具有不同於其組成成分的整體特性–它們超越了各部分的總和。一個充滿導電棒的空腔，在體積幾乎沒有變化的情況下，其特徵頻率彷彿小了一百萬倍。這正是我們所需要的。此外，導電棒還提供了一個內建的、易於調節的調諧系統。

目前，我們正在建造該裝置，幾年後就可以採集數據。這項技術前景廣闊。它的發展是固態物理學家、電機工程師、粒子物理學家甚至數學家通力合作的結果。

儘管軸子如此難以捉摸，但它正在推動著進步，任何幽靈都無法奪走它。

作者：Andrea Gallo Rosso，斯德哥爾摩大學物理學博士後。改編自最初發表在《對話》上的一篇文章。

編譯來源：ScitechDaily