「萬物理論」前沿實驗 在巨型宇宙結構中尋找軸子

「萬物理論」（Theory of Everything）可能是物理學上最富雄心的理論，想把所有已知的作用力、粒子和物體之間的作用關係，用一個框架融會貫通。弦理論就是「萬物理論」中最知名的一種。

儘管弦理論本身還有很多不同的版本，可是都僅限於理論演練，幾乎沒有進行過任何實驗。現在，一組天文學家利用美國太空總署（NASA）的錢德拉X射線天文台的數據在檢測這一理論，在這個領域邁出了重要的一步。

這組天文學家提出，通過觀測星系群——星座的X射線，尋找各種弦理論模型預測的各種粒子。如果找不到假設的特定粒子，意味著可以排除一些弦理論的版本，但是，並不意味著整個弦理論的失敗。

這項研究的負責人——英國劍橋大學的雷諾茲（Christopher Reynolds）說：「直到近期我才意識到X射線對弦理論所起的重要作用，如果最終找到這些粒子，這將徹底地改變物理學。」

理論認為軸子質量極其小，可以小到只有一個電子的百萬分之一，甚至是零質量。

軸子的理論特性之一，是它在通過磁場的時候可以轉變為光子；在特定的條件下，光子也可能轉變為軸子。這種變換發生的頻率取決於變換的容易度，也成為「變換度」。特定質量的軸子只有一個相應的變換度。但是其它理論模型中提出的「類軸子粒子」，在特定質量下可以有不同的變換度。

這個研究組通過錢德拉X射線天文台觀測英仙座（Perseus）及其中心的超級黑洞，尋找軸子（axion）的蹤影。

天文學家為甚麼要在那麼遙遠、巨大的天體結構——星系群中尋找小到質量近乎是零的粒子？

合作研究者瑞典斯德哥爾摩大學的馬什（David Marsh）說：「其實這很有道理。星系群是一種在很大範圍內存在磁場的結構，同時也存在X射線源。這些特性將增加偵測到軸子一類粒子發生變換的幾率。」

根據目前的觀測結果，他們基本排除了存在質量為一個電子的千萬億分之一的軸子的可能性。「我們的研究不能說完全排除了這些粒子存在的可能性，但是絕對沒有為它們的存在提供任何支持證據。」

研究組表示，他們得到的結果範圍比之前搜尋軸子的同類研究縮小了三四倍。

這份研究2月10日發表在《天體物理學期刊》（The Astrophysical Journal）上。◇

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