Only Perception: 「軸子」並非意外觀測資料的起因

2007-11-21

「軸子」並非意外觀測資料的起因

Axions Not Cause of Unexpected Observation
http://www.physorg.com/news114773143.html

By Lisa Zyga

來自於法國的科學家證實，假定的、軸子（axion）般的粒子，無法解釋去年所完成的義大利實驗中，某些意料之外的觀測資料。將軸子排除很可能將會抑制某些再度興起的軸子搜尋關注，目前有數個主要單位正進行中。

研究者 Cecile Robilliard 等人，其成員來自於法國土魯斯的 Paul Sabatier 大學、CNRS、巴黎綜合理工學院（Ecole Polytechnique），將他們的結果發表在最近一期 Physical Review Letters 上。該結果以 99.9% 信心水準，使 PVLAS 光學測量的軸子解釋無效。

"若被偵測到，軸子將成為第一個超越標準模型的粒子，那將導致模型危機，" Robilliard 說。"此外，依據其參數，軸子可能對黑暗物質，那構成我們 25% 的宇宙，有所貢獻。"

在 2006 年，義大利的共同研究 PVLAS（Polarizzazione del Vuoto con LASer），被設計成要偵測量子真空的非線性光學，結果產生意料之外的觀測。該團隊發現磁場能引起真空中線性偏振光的偏振面旋轉。這種效應稱之為磁力二向性（magnetic dichroism，譯註：有 circular dichroism 與 linear dichroism 二種），很常見，不過未曾在真空中被觀測過，而且亦不被量子電動力學所預測。

PVLAS 研究者提議，軸子般的粒子，由光子自一種稱為 Primakoff 效應的過程中轉換而來，或能解釋這種觀測資料。不過之後，在 2007 年七月，PVLAS 共同研究撤回他們原先的觀測資料，並解釋這些觀測資料是因為儀器錯誤；在他們更新儀器設備後，這種光旋轉就不在被觀測到。

然而，最初的觀測已經燃起搜尋軸子般粒子的新興趣 -- 那是種輕量、中性、零自旋的玻色子，在 30 年前首度被提出，以解決粒子物理學當中的強-CP 問題，不過從未被偵測過。在德國 DESY、瑞士 CERN、維州 Jefferson 實驗室還有伊利諾州 Fermilab 要偵測軸子的實驗目前都在建構中。對粒子物理學而言， CP 問題與 1930 年代的β衰變（beta decay），那導致微中子假說產生，是同一等級（order）的問題。微中子在那之後並沒有被偵測到，直至 20 年後（1956）。

不過 Robilliard 與她同事的結果可能會倒幾盆冷水在這興頭上。她們呈現出一套光子再生（photoregeneration）實驗，一般稱之為「光線穿牆閃耀」。在設置裡，光在磁場中被轉換成如軸子般的粒子。光子束瞄準 15mm 寬的鋁牆，那能阻擋光子，不過能讓軸子般的粒子通過。在牆另一端的磁場中，軸子般的粒子被轉換成光子，然後被偵測到。

這類型實驗的不同之處位於偵測上，因為光學擋板需要完美且偵測器背景得十分低，以便能達到敏感的偵測。

科學家們藉由利用同步的一束脈衝雷射與脈衝磁場，讓單一光子偵測器能夠測量十分微小的轉換率。相較下，大部分的實驗使用連續雷射與磁場，這對於偵測器太過苛求。

有了如此理想的偵測設備，以及將其他變數（諸如磁場長度）最佳化，研究者並沒有在牆的另一側，偵測到任何再生的光子。基於她們對軸子般粒子質量限制的計算，研究者能以 99.9% 的信賴水準，將軸子般粒子的可能性排除在此模型之外。在未來，她們計畫要改善她們的儀器，以對軸子般粒子，達到更嚴厲的限制。

"我的意見是這樣，在比三個標準差還要好的信賴水準下，現在 PVLAS 軸子般粒子已經被我們給排除，而且 PVLAS 共同研究已經撤回他們 2006 年的報告，所以結果是與 PVLAS 2006 之前的結果一樣，" Robilliard 說。"就我所知，這裡沒有任何理由要在質量與耦合常數的範圍中（in the range of mass and coupling constant）尋找軸子般的粒子，那已經被 CAST 或 ADMX 這類實驗，或天體物理學的觀察所排除。"

"對照之下，" 她提到，"偵測軸子仍是粒子物理學中的重要實驗挑戰。"

※ 注意，這個實驗並非證明軸子存不存在。最近物理學的研究結果很精彩...

＊ No "Light Shining through a Wall": Results from a Photoregeneration Experiment
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e190403

C. Robilliard, R. Battesti, M. Fouche, J. Mauchain,
A.-M. Sautivet, F. Amiranoff, and C. Rizzo
Phys. Rev. Lett. 99, 190403 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.190403