在这个属于2.7万米长的核粒子加速器和5万吨地下粒子探测器的时代，轴子暗物质实验（ADMX）看起来没有宏伟之处。一个4米长的圆柱状物悬在美国华盛顿大学核物理和天体物理学实验中心的天花板上，像被挂起来的金枪鱼一样有光泽且神秘莫测。一些物理学家在摆弄这个装置，他们准备将其放入地面上的一个竖井般的洞中。实验室远离校园的喧嚣，研究人员很快将执行粒子物理学重要且有前途的实验之一。

于今年晚些时候启动的ADMX将寻找难以捉摸的被称为轴子的超光速粒子。核理论预测，轴子能使神秘的暗物质聚集在一起。同为暗物质，在所谓的“大质量弱相互作用粒子”（WIMP）面前，轴子显得黯然失色。尽管历经数十年的搜寻，没有人确定发现WIMP。“我认为，现在有更多的目光聚焦于轴子，因为长期以来WIMP一直未被发现。”美国盖恩斯维尔市佛罗里达大学理论家Pierre Sikivie说。

ADMX并不新奇。该实验的合作于1996年在加州劳伦斯利物莫国家实验室展开，并实现了接连的改进。目前的实验开始于2010年。ADMX研究人员即将迈出关键的一步。在接下来的几年里，他们将提高灵敏度以提供暗物质搜寻中的一个稀有之物：一个明确的“是”或“不是”的回答。

理论上，轴子的属性被限制得很窄，如果ADMX研究人员没有找到它，那么轴子必然不是宇宙暗物质的构成，该项目领头人Leslie Rosenberg说。“ADMX是目前唯一我所知道的在很高可信度上可以说它是候选者，也可在很高可信度上将其排除的暗物质实验。”Rosenberg说。

强烈怀疑

理论家并未用轴子解释暗物质。他们宁可用轴子解释关于强核力（由称作胶子的粒子传递，被称作夸克的结合粒子在原子核中形成质子和中子）的难题。问题在于，相互作用的夸克和胶子有一种对称性，物理学家针对强作用力的理论并未预测到这一点。

想象一群夸克、反夸克和胶子，与所有粒子和反粒子交换，使每个粒子的位置和动量转换。这个系统看起来和运作方式完全像以前那样——这种相同被称作CP对称。

如果CP对称不拥有强作用力，中子将拥有更多正电荷转向它的一个磁极，更多的负电荷在另外一个磁极聚集，这种分布被称为电偶极矩。但是实验人员已经表明，在非常高的精度下，中子没有电偶极矩现象。因此CP对称是主导规律。

这是一个难题，因为根据强作用力理论，胶子间的某种相互作用会使CP对称失灵。这个“强大的CP难题”给物理学家两个替代选择。一个是被称为Θ的抽象角度，它可能奇迹般地接近零——不到0.0000000001。或者，一些能使相互作用消失的未知机制。

轴子就是这样机制的一部分，它于1977年被美国理论家Roberto Peccei和Helen Quinn提出。他们假定，空间包含一个量子场（有点像一个电场），和胶子相互作用，能抵消和CP对称相反的作用力。在这个机制中，Θ可以被看作是环轨中的一个弹珠，或多或少由这个量子场所创造。如果轨道水平，这个弹珠可以在任何位置停留。但是倾斜轨道时，弹珠就会滚动至最低点。胶子和量子场的相互作用，使得轨道总朝着零度角的方向倾斜。轴子就是和这个量子场有关的量子粒子。

探测过程

挑战在于如何探测到轴子。原则上说，这其实不复杂。与受到强作用力时的表现一样，轴子也会对电磁力中的光和其他放射物产生反应。当一个轴子通过一个磁力场时，有时候它会以光子的形式展现出来。轴子的质量很小，因此它所形成的光子拥有的无线电波能量也很低。因此，ADMX物理学家会通过搜寻无线电信号的方式来寻找轴子，这种无线电信号来源于一个强力磁场，能提供频率稳定的无线电信号。ADMX小组成员Gray Rybka说：“最后，这种方法就像科学幻想一样。科学仪器就像一台高科技的调频广播，而科学家要做的就是通过调台找到他想收听的节目。”

在实际运用中，实验面临着极大挑战。轴子变成光子的几率极低，因此，研究者必须使用高强度的磁场才能捕获到轴子发出的信号。ADMX运用一台重达6吨的超导线圈，这个超导线圈有1米长、0.5米宽，其磁场强度是地球磁场强度的15.2万倍。为了进一步加强信号的强度，研究者在磁场内插入了一块圆柱形的“共振腔”。依靠这种方法，特定频率的无线电波通过“共振腔”时所发出的声音可以媲美管风琴所发出的特定音高。“共振腔”的运用可以把光子的产生数量提高10万倍，而且研究者可以通过移动“共振腔”内的金属棒或者绝缘棒来改变共振频率。

只增加光子的产量还不够，如果可能，研究者还必须消除整个过程中产生的“噪音”。实验仪器自身会随机产生无线电波，这种无线电波的产生与仪器的温度成一定比例。为了降低这种因温度所产生的噪音，研究者必须将仪器冷却到接近绝对零度。最新型的ADMX将会配备一个装有液氦的制冷机，通过制冷机可以将仪器的温度冷却到0.3开氏度。明年，研究者将更进一步，为仪器配备能将温度冷却到0.1开氏度的制冷机。

温度控制并不是唯一问题。放大器虽然可以增强信号，但与此同时，伴随着电子剧烈地穿过，仪器自身的温度与噪音也会增加，这是不可避免的。原则上来说，如果可以收集到足够多的数据，研究者可以将这些噪音所产生的信号过滤掉。但是，由于使用的是传统放大器，研究者需要大量的“收集时间”来掌握足够数据。

解决问题

    为了加快收集数据的速度，Rosenberg与同事向John Clarke寻求帮助，Clarke是一位加州大学伯克利分校的凝聚态物理学家，他还是一位有关超导量子干涉仪方面的专家。超导量子干涉仪也被称作SQuIDs，这种超导金属制作的小型圆环可以与其他器件一并使用，用来降低放大器产生的噪音。SQuIDs产生的噪音并非来源于温度，而是源于量子的不确定性，这种不确定性是不可避免的。因此，从这一点上触发，降低放大器的噪音是可以做到的。

      2010年，ADMX证明，特制放大器可以满足研究者的期望。通过特制放大器，研究者的试验速度加快了数千倍， Clarke说：“我们只用了大约100天就完成了原本需要花费一个世纪才能完成的工作。”随着SQuID安装到位，ADMX成为地球上最“灵敏”的无线电接收器。来自华盛顿的研究生Dmitry Lyapustin说：“ADMX十分强大，即便你人在火星上，只要在手机里装有ADMX接收器，依然能够接通。”

       轴子可能不会很快被发现，这种情况会持续到今年年底。轴子的质量范围很广，研究者决定在未来的3年内对它的所有质量范围都予以探测。轴子质量的最小值在1μeV到10μeV之间，Rosenberg预测研究者会相对迅速地探测这一范围。轴子质量的中间范围在10μeV到100μeV之间，研究者可能需要花费较多的时间来探测，因为质量较大的轴子会产生较高频率的无线电波，需要更小的共振腔才能探测到它们。轴子质量的最大范围在100μeV到1000μeV之间，以目前的科技水平还无法探测到它们。

    但Rosenberg认为，如果研究者在探测完轴子质量的中间范围之后仍然没有发现轴子，这本身就说明了一个很重要的问题：如果轴子的质量如此大的话，那么基本可以认定它不是组成暗物质的物质之一。（段歆涔）