物理

打造軸子偵測器

科學家持續搜尋暗物質未果。現在,軸子暗物質實驗終於具備足夠靈敏度,一探宇宙中不可見粒子的神秘面貌。

撰文/羅森柏格(Leslie Rosenberg)
翻譯/陳勁豪

物理

打造軸子偵測器

科學家持續搜尋暗物質未果。現在,軸子暗物質實驗終於具備足夠靈敏度,一探宇宙中不可見粒子的神秘面貌。

撰文/羅森柏格(Leslie Rosenberg)
翻譯/陳勁豪


宇宙主要由我們看不到的物質所組成。天文學家自1930年代開始觀測星系團得出結論:如果沒有「暗物質」(dark matter)來抓住星系團,其中的星系將四散紛飛。1970年代,天文學家研究星系旋轉的速度時發現類似的現象,因而開始認真看待這種想法。很快地,研究人員發現暗物質不太可能由一般物質或是輻射所構成。目前所知,藉重力聚集成團的暗物質超過90%都屬未知,或許是大霹靂時誕生的新粒子。


很長一段時間,最熱門暗物質假設性粒子是弱作用大質量粒子(weakly interacting massive particle, WIMP),該粒子可納入廣受歡迎但仍受質疑的超對稱(supersymmetry)理論。不過,科學家以高靈敏度的WIMP偵測器尋找了數十年,都沒有發現任何跡象顯示這類粒子存在。要澈底排除WIMP顯然太早,但目前搜尋結果徒勞無功,使其他暗物質理論的可能性大幅提高。


其中一個較不知名的是軸子(axion),這種粒子理論上比WIMP輕得多,但同樣不易與一般物質產生交互作用。如果軸子是暗物質,那麼應該到處都是——數以兆計的軸子在你四周。軸子對宇宙中其他物質的影響只能藉由重力效應偵測:軸子的總質量足以改變星系中恆星或星系團中星系的軌道。


我參與軸子暗物質實驗(Axion Dark Matter Experiment, ADMX)研究這種粒子超過20年,雖然還沒有找到軸子,我們仍持續改善實驗技術。2016年ADMX展開新階段,目前已具備足夠靈敏度,應該能在5~10年內找到軸子,或排除大部份軸子理論。我們正處在關鍵點,不論是好是壞,令人訝異的消息隨時可能出現。


軸子的誕生


1980年代我還是研究生,軸子的概念剛從量子色動力學(quantum chromodynamics, QCD)的一個問題中誕生。QCD描述了維繫原子核的強作用力,並與實驗結果吻合,但仍無法解釋所謂的強電荷-宇稱(CP)問題。在QCD中,如果把一個粒子的CP反轉過來,也就是反轉這個粒子的電荷再透過鏡子看,這個粒子便不再遵循相同的物理定律,不過研究人員無法在實驗中找到相關證據,這便是強CP問題。這個理論與實驗的落差相當嚴重,顯現粒子物理學最佳模型有一道缺口,而且這道缺口相當大。


1977年,美國史丹佛大學的物理學家奎恩(Helen Quinn)與皮塞(Roberto Peccei)發現,可運用對稱破缺(broken symmetry)的概念,以簡潔方法解決強CP問題。物理學常應用對稱破缺的概念,這大致是說,有時大自然看起來似乎具對稱性,實際並非如此,例如當你以筆尖著地立起一根鉛筆,旋轉對稱性會使鉛筆往任何方向倒下;若鉛筆總往一個方向倒呢?我們說大自然做出選擇並「破壞」了對稱性。當此概念應用在粒子物理學上,會有新粒子出現以保持對稱性,即使表面上對稱性遭破壞(對稱性不一定很明顯,可以是數學架構中的一些抽象對稱性)。


我覺得最巧妙的是,奎恩與皮塞把這個概念應用到強作用力上,他們認為有一種與強作用力有關的未知對稱性遭破壞。如果這確實發生,便能抵消理論所預測但無法在實驗中觀察到的CP差異,問題解決了。很快地,現任職於德州大學奧斯丁分校的溫伯格(Steven Weinberg)與現任職於麻省理工學院(MIT)的威爾切克(Frank Wilczek)也提出驚人的洞見,他們認為奎因-皮塞機制會產生一種新粒子:軸子。(據說這是以一種洗衣清潔劑命名,因為軸子「清理掉」強CP問題。)到了1980年代中期,理論學家推論,大霹靂可產生夠多軸子以解釋暗物質。


不過理論並未說明軸子質量,或與一般物質產生交互作用的可能性。不過我們知道軸子一定非常不容易與一般物質發生交互作用,因為粒子對撞機與其他實驗都沒有找到跡象。如果軸子很難與其他粒子交互作用,便可能相當輕。1987年,天文學家觀測到一項重要天文事件,進一步縮小軸子的質量範圍。當時,大麥哲倫雲(銀河系周遭的矮星系)中一個超新星爆炸,整顆恆星塌縮的重力束縛能幾乎都以微中子釋出,其中一些通過我們建於地球地底的偵測器。如果軸子質量僅約幾毫電子伏特除以光速平方(meV/c2,大約是電子質量的10億分之一),軸子便會在超新星爆炸時產生,並改變微中子通過地球的時間。然而,科學家沒有在實驗中觀察到這類改變,軸子質量肯定比預期的值更小。這麼輕的軸子相當難與一般物質或輻射發生交互作用,舉例來說,一種相對較多的中性π介子會在10-16秒內衰變成兩顆光子,軸子衰變成兩顆光子則需1045年,這比宇宙年齡還大上許多數量級。軸子是已知最不易與其他物質產生作用的粒子。


有趣的是,軸子質量太小會引發新問題。我們認為軸子在大霹靂時產生的過程相當複雜,軸子質量越小導致其密度越大。如果軸子質量太小,大霹靂時產生的軸子,會超出暗物質條件所需。這項機制還有相當大的不確定性,理論物理學家也構思出一些巧妙的方法來解決這些問題。不過我認為,軸子質量不太可能低於1μevV /c2太多。


我重述一下目前的問題:軸子不能太重,不然早就透過粒子對撞機或是在超新星爆炸時產生的效應中觀察到它;此外,軸子也不能太輕,不然宇宙中會有太多暗物質。要確定質量範圍很困難,軸子暗物質的合理質量範圍大約是1μ~1meV/c2,這是軸子質量的「甜蜜點」,不過這種粒子幾乎不與一般物質或輻射發生交互作用,因此也稱為「看不到的軸子」。


如何尋找軸子


當科學家確認奎恩-皮塞機制可能產生軸子,史丹佛大學與其他機構的物理學家便使用加速器尋找這種假設性粒子。軸子之所以有潛力成為暗物質選項之一,因為它幾乎不與一般物質或輻射產生交互作用,但這項特點也讓搜尋變得幾乎毫無希望。我們周遭可能每立方公分就有10兆個軸子,即使軸子密度這麼高,我們卻無法在實驗室找到軸子,這令人相當沮喪。


美國弗羅里達大學的席基維(Pierre Sikivie)提出聰明的點子:與其在加速器中創造軸子,我們也可在宇宙中尋找構成暗物質的軸子。席基維設想一個帶有磁場的圓柱空腔,內部除了軸子空無一物。當軸子受腔內磁場影響,其總能量將幾乎完全轉變成光子。如果空腔與由軸子產生的光子頻率共振,交互作用更容易發生。軸子質量相當小,而且我們周遭軸子的運動速率大約與銀河系相同,導致光子頻率約落在微波頻段;確切的頻率仍是個謎,必須定出軸子的精確質量才能知道。實驗物理學家必須調整空腔的共振頻率來搜尋可能範圍,希望能在正確的頻段找到軸子。


實驗產生的訊號可能非常微弱,或許是10-24千瓦或更小,而雜訊強度也大約相當。若使用一個敏感度高的微波偵測器搜尋足夠時間,應該可以完成這項任務。我的兩項最愛恰好就是無線電電子元件與粒子物理學,因此席基維的點子與我一拍即合。


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