轴子是一种假设的基本粒子，如果它们存在的话，将弥补关于所谓CP对称的规则中的一个有问题的豁免。

作为附加好处，它们的存在还可以清除科学中另一个令人困惑的谜团——被称为暗物质的无形额外质量，这有助于星系的黏合。

虽然有一些它们存在的引人注目的迹象，但物理学还没有证实它们是否是我们正在寻找的解决方案，或者只是一种空想的泡沫。

什么是CP对称性

C 代表电荷，如电子的负性和质子的正性，而 P 表示空间坐标，如粒子是否向左弯曲或向右飞行。对称性是指不会对特定特征产生太大影响的变化，就像旋转一个正方形 90 度不会改变它是一个正方形的事实一样。

通常，将粒子的电荷从正转为负，会改变它如何响应另一个粒子的电荷，反之亦然。

但是，如果我们将所有涉及的变化都翻转过来，将它们全部变成它们的反粒子，那么什么都不会改变。仍然适用相同的规则。我们可以说“带电翻转”的宇宙是对称的。同样，将空间坐标翻转，使我们的宇宙看起来像镜子，其中左边现在是右边，右边现在是左边，也会遵循相同的物理学。这个“镜像翻转”的宇宙也将是对称的。

顺便说一句，时间也有关于它的对称性。对于大多数规则，回放一个过程应该会将您带回起点，没有任何不同。

如果我们看任何特定的物理规则，我们可能会说它具有 CP 对称性，如果该规则在同时翻转电荷和空间坐标后仍然有效。大多数规则似乎都遵循这一趋势……直到它们不遵循。

1964 年，由美国粒子物理学家James Cronin和核物理学家Val Fitch领导的团队在两种不同类型的夸克-反夸克配对(称为K介子)的衰变中看到了一些东西，这只有在 CP 对称性不适用于弱相互作用时才会看到。

一个观察结果令人恼火，但仍可能被认为是实验的怪异之处。近几十年来，夸克组成的粒子中也出现了更直接的这种违反的证据，其他粒子中可能也存在这种违反，这加强了至少在极小比例的相互作用中确实存在真正的违反的信心。

什么是强CP问题

令人沮丧的是，我们没有看到 CP 违反发生在夸克被强力束缚在一起时，就像它们在质子和中子等粒子中一样。物理学家称其为强 CP 问题，它恰好是一个令人烦恼的关于我们何时会期望(以及何时不会)看到电荷和宇称对称性的组合被违反的观察差距。

标准模型暗示如果我们在一个中看到了它，我们也应该在另一个中看到它。所以某些东西不太对劲。也许是标准模型有问题。或者可能需要一些巧妙的调整才能使其契合。

1977年，物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn提出了一种解决方案，可以通过简单地引入一种新类型的场来解释差异。

问题解决了，对吗?唯一的问题是新的场意味着一个新的粒子，一个没有电荷和非常小的质量的粒子。

他们称它为轴子，取名自洗衣粉，希望它能清理他们的烂摊子。不幸的是，它给物理学留下了一个难以洗去的污点。

所有的这些轴子跑哪去了?尽管已经有数十年在寻找具有轴子特征的粒子，但没有发现任何确凿的证据。

但物理学家还没有放弃寻找。

一种方法是寻找在通过磁场时变为光子的粒子。虽然一些实验没有发现这种现象的痕迹，但其他实验继续暗示这种可能性。

2020年，一个名为XENON1T的实验提供了一些结果，鉴于它们的完美契合，有诱惑性的解释是轴子。2022年，新视野号探测器观察到的遥远黑暗中的意外光辉也可能由磁场中的轴子发光解释。

然而，物理学是一个保守的领域，需要远远更多的数据才能庆祝它作为轴子的发现。

如果我们发现了轴子会发生什么

首先，强CP问题将不再是一个大问题。

轴子也应该在早期宇宙中大量出现，从被认为快速膨胀空间的场中大量产出。理论也预测它们会拖住这个场，使它们减速，所以它们不会离对方过快。如果它们确实出现，它们不应该以任何可注意的方式与其他粒子发生互动，这使它们更难被发现。

尽管它们的质量很小，但它们的巨大数量和相对缓慢的运动仍会使它们团聚成巨大的物体，这些物体的行为非常像暗物质。

轴子的存在将弥补我们对宇宙理解中的一些令人难以置信的差距，就像希格斯玻色子弥补了我们对质量知识中的一个令人恼火的差距。

本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。

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