▲ (繪圖：Mondolithic Studios)

你認為暗物質問題該如何解決？」在2009年女性天文學會議上經介紹幾分鐘後，魯賓（Vera C. Rubin）就急切地問我。直到今天，我都不記得自己的回答。我當時驚呆了，原因是這位因發現暗物質存在的第一個確切證據而獲得美國國家科學獎的著名天文學家，竟然會詢問像我這樣20多歲博士生的意見。我確信自己當時的回答一定不好，因為我在那一刻之前從未認真思考過。在魯賓詢問我之前，我從沒想過自己有資格對這個問題發表意見。

如果我的回答令魯賓失望，她也沒表現出來。相反地，她邀請我與包括美國航太總署（NASA）前署長羅曼（Nancy Grace Roman）在內的一些女性天文學家，一起吃午餐。席間魯賓對常稱為「哈伯太空望遠鏡之母」的羅曼讚譽有嘉。對我來說，看著一位揭開了我們這個時代最偉大的科學奧秘之一的女性興奮地向我們介紹她的英雄，真是意義重大的時刻。

魯賓在1960年代便鞏固了自身的學術地位，當時她研究星系內的恆星，並發現了一種奇怪現象：星系外圍恆星的移動速度比預期的要快，好像有一種看不見的物質在施予重力。茲維基（Fritz Zwicky）在1930年代早期研究星系團的發現，促使他提出「暗物質」（德語Dunkle Materie）存在的假設。魯賓的研究成果正呼應了茲維基的假設，她和天文學家福特（Kent Ford）在整個1970年代所發表的數據均與這一結論相符。到了1980年代初期，科學家普遍認為物理學有個暗物質問題。

大多數在實驗室裡追尋暗物質的策略可分為三類。「直接探測」實驗專注於尋找暗物質粒子與普通物質粒子（例如氙元素）產生交互作用的證據，不論是透過弱作用力（weak force）這種非重力的基本作用力或假設的新作用力。「粒子對撞機」實驗則採取相反策略，例如在瑞士日內瓦附近的大強子對撞機（LHC），把兩個普通物質粒子撞碎，以期產生暗物質粒子。另外，「間接探測」實驗觀測暗物質與暗物質碰撞後所產生的粒子，來尋找暗物質存在的證據。

直到目前為止，這些策略都沒有發現「失蹤的物質」。科學家仍然不知道暗物質是否透過重力之外的任何方式與普通物質產生交互作用。暗物質可能無法在科學家有能力建造的粒子加速器中產生，也無法在科學家能夠主導的實驗中偵測到。因此，天文觀測，即針對暗物質的宇宙探測，是科學家的最佳希望之一。藉由這些探測工作，就能夠在地球上難以形成的環境中（例如中子星內部）尋找暗物質特性。一般而言，這類搜尋為的是探查暗物質處在不同重力環境下的現象。

雖然這種研究暗物質的方法前景不錯，但是有時會陷入天文學界與物理學界的窘境。物理學家傾向於著重粒子對撞機和在實驗室裡操作的實驗，並不優先考慮與天文物理學的關聯；天文學家則傾向於把暗物質視為粒子物理學問題。這種窘境影響了研究預算分配。就在今年，科學界有機會改變這種狀況，把2020年代的頭幾年標誌為「斯諾馬司粒子物理社群規劃演練」（Snowmass Particle Physics Community Planning Exercise）這項重要計畫的開端。該計畫大約每十年進行一次，把物理學家聚集在一起，向美國國會授權的一個小組解釋未來的科學計畫，該小組將據此決定科學計畫的優先項目。針對暗物質的宇宙探測將首次成為一個獨特的考慮主題。雖然斯諾馬司並未提出正式的政策建議，但在組織科學計畫架構中的每個階段，一定會決定該著重於哪些主題。

暗物質假設性粒子

科學家對暗物質還有很多不了解之處，但從魯賓在1970年代和1980年代所做的研究以來，已經取得很大的進展。目前已有充份證據指出，每個星系都位在自己的暗物質泡泡，這些所謂「暗物質暈」（dark matter halo）的分佈範圍遠超出星系的可見區域。這些星系－暈系統中暗物質的量比恆星、行星和氣體中物質的量更多。換句話說，在實驗室和粒子對撞機中已經確認的所有粒子（亦即粒子物理學標準模型所預測的）大約只佔了宇宙中正常重力物質的20%；如果考慮到暗能量以及物質和能量在本質上等價的事實，對於宇宙的了解就大約只剩4%。標準模型雖是驚人成就，但顯然是極不完整的理論，科學家需要一種或多種新粒子來解決這個問題。

物理學家猜想暗物質是由各式各樣的假設性粒子組成。大多數科學家偏愛相對緩慢運動的「冷暗物質」（cold dark matter）粒子，也就是以比光速更慢的非相對論性速度運動。弱作用大質量粒子（WIMP）是在冷暗物質類別中的經典模型之一。科學家認為WIMP會在早期宇宙中自然形成，並預測WIMP藉由弱作用力與正常物質發生某種交互作用。最受歡迎的WIMP模型屬於一類稱為費米子（fermion）的粒子（電子和夸克也屬於這類粒子）。

長久以來，WIMP是最受青睞的暗物質假設性粒子，特別是在美國學界。不過，由於WIMP的證據一直未能顯現在LHC或任何直接探測和間接探測的實驗中，近年來科學家的觀點已發生變化。

最近，粒子物理學界對另一個暗物質假設性粒子感到興奮：軸子（axion）。科學家猜想軸子比WIMP更輕，而且不是費米子。相反地，軸子屬於一類稱為玻色子（boson）的粒子（光子亦屬於此類）。軸子屬於玻色子，與WIMP具有完全不同的特性，為軸子可能形成的結構打開了一扇引人入勝的大門。軸子是最初吸引我投身暗物質研究的原因。

迷人的軸子

從我與魯賓的對話到我第一次嘗試回答她向我提出的問題，已經過了五年。當時是2014年，我是美國麻省理工學院（MIT）的馬丁路德．金恩博士後學者，先分派到科維理天文物理與太空科學研究所，然後到MIT理論物理中心（CTP），嘗試探索一些有趣的研究。當時任職於CTP的博士後研究員赫茲伯格（Mark Hertzberg）和我第一次開始談論物理學家之間引發的辯論：軸子能否形成原子物理學中一種稱為玻色－愛因斯坦凝聚體（Bose-Einstein condensate）的奇異狀態？

這種可能性源自於玻色子和費米子的根本區別。費米子必須遵循包立不相容原理，這意味著兩個費米子不能共享相同的量子態。這條規則解釋了為何化學中的電子軌域（orbital）如此複雜：因為繞著原子運行的電子不能佔據相同的量子態，必須以不同的模式分散開來，形成具有不同能量的軌域。換句話說，軸子可以共享一個量子態。這代表當軸子冷卻到極低溫時，可以處於相同的低能量狀態，並且就像一個超粒子般集體行動，形成玻色－愛因斯坦凝聚體。在我看來，這種情況在太空中自然發生的可能性是相當令人興奮。

軸子是赫茲伯格就讀MIT博士班的導師威爾切克（Frank Wilczek）於1970年代提出，他是最早察覺到奎因（Helen Quinn）和已過世的皮塞（Roberto Peccei）所提出的粒子物理模型會產生新粒子的學者之一。威爾切克用洗衣粉品牌把新粒子命名為「軸子」。因此，赫茲伯格對軸子已相當熟悉，但我對這一概念比較陌生。我學術生涯的大部份時間都專注於其他問題，因此我必須加快步伐。在跟上進度的過程中，我學會了區分傳統的軸子與物理學家籠統稱為類軸子（axionlike）的粒子。

傳統的軸子起源於皮塞與奎因對量子色動力學（QCD）理論的擴展。儘管描述強作用力（strong force，四種基本作用力之一）的QCD是非常成功的模型，但也預測了從未觀察到的現象。皮塞與奎因的研究成果解決了這個問題，同時提出一種可能產生暗物質的機制。但另一種稱為弦論的理論也提出一連串與傳統軸子具有相同數學結構的粒子；這些粒子泛稱為類軸子。理論預測傳統QCD軸子的質量約為10^-35公斤，比電子輕幾個數量級，但弦論中更大一類的軸子可能輕得更多，低至10^-63公斤……