科学家们正以前所未有的方式探索宇宙的奥秘，特别是在寻找暗物质这一神秘领域。欧洲X射线自由电子激光器（XFEL），这一坐落于德国汉堡的尖端科研设施，已成为他们追寻轴子——一种可能是暗物质关键组成部分的假想粒子——的强大工具。
暗物质，这一构成了宇宙大部分质量的神秘物质，长久以来吸引着科学家们的目光。尽管我们看不见它，但通过它对星系的引力作用，科学家们确信它的存在。然而，关于暗物质的确切性质，至今仍是未解之谜。
为了揭开暗物质的神秘面纱，牛津大学、英国科学技术设施委员会（STFC）以及多个实验室的研究人员携手合作，利用XFEL这一世界最大、最强大的X射线激光器展开实验。XFEL设施拥有一个长达3.4公里的隧道，内置超导直线加速器和光子束线，每秒能产生27000次的超短X射线闪光，为实验提供了至关重要的条件。
实验的核心原理被称为“光穿墙”。在这个过程中，X射线在强大的内部电场引导下穿过锗晶体。这个电场如同一个强大的磁场，允许光子在特定条件下转换成轴子（然后再转换回光子）。钛板阻挡了直接通过的光子，而轴子，如果它们存在的话，将能够穿透钛板并在另一边转换回光子，随后被探测器捕捉到。这种独特的转化过程正是科学家们一直在寻找的关键证据。
据相关新闻稿报道，这项初步研究已经显示出XFEL实验对轴子的灵敏度与其他基于加速器的实验相当。STFC的实验等离子体物理学家、论文第一作者杰克·哈利迪博士表示：“这个实验充分展示了XFEL技术在解决基础物理学中一些最具挑战性问题方面的多功能性，并推动了我们对宇宙理解的边界。”
此次实验不仅为未来更灵敏地搜索特定质量范围内的轴子奠定了基础，还旨在探测量子色动力学（QCD）预测的轴子。QCD理论解释了强力——这一支配夸克和胶子、对物质稳定性至关重要的基本力量。
在粒子物理学领域，一个长期困扰科学家的难题是关于中子电偶极矩的缺失。尽管中子由带电夸克组成，但它并没有表现出电偶极矩。这种缺失暗示了可能存在某种隐藏机制，而轴子被认为是解释这一现象的关键。专家们推测，轴子可能有效地“抵消”了这种不平衡，从而避免了中子电偶极矩的出现。
如果轴子确实存在并以这种方式相互作用，那么它们的发现不仅将解决这个长期存在的难题，还将为超越当前标准模型的物理学提供确凿证据。标准模型是目前描述基本粒子和力的基本框架。
除此之外，轴子还被认为是影响宇宙结构的暗物质的主要候选者之一。由于它们不与光相互作用，因此无法通过望远镜直接观测到。轴子的弱相互作用和低质量等性质使它们符合科学家们对暗物质粒子特征的预期。
在之前的一项独立研究中，一个研究小组提出了一个有趣的假设：轴子可能在中子星周围形成云。如果这些轴子确实存在，那么它们将发射出可探测的无线电信号。这一发现有望为我们理解暗物质提供新的线索和视角。
目前，这项实验的结果已经发表在《物理评论快报》杂志上，标志着科学家们在探索暗物质和轴子领域迈出了重要一步。
