揭開暗物質之謎：大膽實驗追尋神秘「軸子」
科學家們正全力追尋一種名為「軸子」的微小粒子，它可能解開物理學的重大謎團，包括為何中子不具電偶極矩，以及暗物質的組成。在德國漢堡的歐洲X射線自由電子雷射（European XFEL）設施中，研究人員透過特殊晶體發射X射線，希望觀察到軸子轉化為光的現象，這將是軸子存在的關鍵證據。這項開創性實驗已能與大型粒子加速器研究相媲美，顯示XFEL技術可能成為粒子物理學的遊戲規則改變者。
由牛津大學、英國科學與技術設施委員會（STFC）及其他研究機構組成的團隊，近期在《物理評論快報》上發表了他們的最新研究成果。他們在歐洲XFEL進行的實驗，旨在尋找一種假想粒子，這種粒子可能幫助解釋暗物質的本質。軸子被認為是解決物理學中一大難題的關鍵：為何中子由帶電的夸克組成，卻不具電偶極矩？科學家推測，極小且幾乎無質量的軸子可能抵消了這種不平衡。若軸子被發現，將為超越標準模型的物理學提供證據。
此外，軸子也被視為暗物質的強力候選者。暗物質是一種看不見的物質，佔據了宇宙大部分質量與結構。為了尋找軸子，研究團隊使用了位於德國漢堡附近Schenefeld的全球最強大X射線雷射——歐洲XFEL。這座尖端設施擁有一條3.4公里長的隧道，配備超導線性加速器與光子束線，能每秒產生27,000次超短X射線脈衝。
實驗中，X射線脈衝被導向精確定向的鍺晶體薄片，這些晶體具有強大的內部電場。對移動的粒子而言，電場就像一個強磁場（約103特斯拉），使光子能轉化為軸子，並再次轉化回來。在晶體之間插入的不透明鈦片作為光子的屏障，只允許被搜尋的軸子透過。當軸子在另一側的晶體中轉化回光子時，便能被偵測到，這種技術被稱為「光穿牆效應」。
在這項原理驗證研究中，研究團隊展示了其裝置對軸子的靈敏度已能與其他使用粒子加速器的實驗競爭。這為未來的研究鋪平了道路，科學家將專注於質量範圍在毫電子伏特至千電子伏特之間的軸子，並計劃將靈敏度提升數百倍，以偵測量子色動力學理論預測的軸子特性。
主要作者、STFC實驗等離子體物理學家Jack Halliday博士表示：「這項實驗凸顯了XFEL技術在解決基礎物理學中最具挑戰性問題上的多樣性，並推動了我們對宇宙理解的邊界。」首席研究員Gianluca Gregori教授則指出：「這項研究是牛津大學物理系長期合作的成果，結合了原子與雷射物理、理論物理及粒子物理的專業知識，使我們能成功應對這項非標準測量的複雜詮釋。」
參考文獻：Jack W. D. Halliday等人，《利用X射線自由電子雷射對重軸子的限制》，2025年2月6日，《物理評論快報》。DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.055001
