宇宙是如何起源的?

宇宙万物最基本的组分是什么?

这是自然界最基本的科学问题。从1895年发现X射线到2012年发现希格斯波色子,人类通过百余年的努力,成功的建立了量子理论及在其基础上的粒子物理的标准模型；但仍然有许多的观测或实验现象（比如电荷量子化、暗物质等等）没有办法被标准模型所解释，这背后一定隐含丰富的超出标准模型的新物理等待我们发掘。对于像磁单极子和轴子这一类超标准模型理论预言的新粒子搜寻，是寻找新物理的重要组成部分。这一类新粒子信号是超稀有且超微弱的，因而对于探测方法和手段提出了前所未有的挑战；使用新兴的量子传感技术与粒子探测技术相结合，将极大提高探测灵敏度,为此类寻找和发现带来新的机遇。在2023年重大科学问题的评选当中，各位专家一致推选“利用新型符合测量方式能否搜寻磁单极子和轴子暗物质的存在？”作为一个重要科学问题。相关团队提出了结合原子磁力仪与塑料闪烁体的符合测量方案，有望形成大阵列来来对磁单极子和轴子进行超高灵敏的寻找和探测。

赵政国

中国科学院院士

中国科学技术大学教授

▲已知的宇宙历史

新粒子搜寻打开新物理大门

探寻超出我们知识边界的新物理一直是物理学界的首要目标，每一次对于现有理论的拓展和更新，都给整个领域乃至整个世界带来了翻天覆地的变化。在21世纪的今天，虽然我们有一个非常成功的粒子物理标准模型，能够很好地描述我们物质的最小构成，但从种种实验迹象看来，它仍然是不完整的；实验搜寻新物理理论预言的新粒子，如磁单极子、轴子暗物质等等，则是对于新物理搜寻的一个最为直接的重要手段，相关突破将开启物理学新篇章。

对未知永无止境的探索

人类的科学史从本质上说就是不断地把未知变为已知的过程；这个过程非常缓慢且并不连续，通常在积累到一定程度后才会出现一个量变，比如一个新理论的建立。在物理学历史中，我们见证了这种类似的重大发现和突破。从牛顿的经典力学到爱因斯坦的相对论，从量子力学的诞生到粒子物理学的标准模型，每一次进步都展示了人类对自然规律的深入了解。以下我们举几个例子，说明一下物理学史上著名的新理论建立过程：

（一）电磁统一

在19世纪初，科学界对于电与磁的本质理解仍然是非常缺乏的。当时，虽然对于电和磁分别有着不同的实验观测，主流思想基本还是把它们当作两个不同的物理主体来对待；但是渐渐地出现了不少实验现象开始把电与磁进行了联系。

（二）量子理论建立

时间来到20世纪初期，经典物理随着经典力学、热力学、光学以及电磁学的完善，正是处于一个巅峰的状态。但当时也是有一些物理现象没有办法完全被经典物理所解释，最为著名的例子就是黑体辐射。

▲300K下黑体辐射谱，黑线代表测量结果，红线代表经典物理预期，蓝线是维恩根据实验结果推导的黑体辐射半经验公式

普朗克为了解释黑体辐射谱与经典物理间的矛盾，首次提出了光的能量必须有一个最小单位时，就可以很好地去解释黑体辐射谱。其实在提出该理念时，由于太过不可思议普朗克自己都没有太过相信，只是认为这是一个等效模型。但是科学家们相继发现，利用光量子化的概念，可以进一步去解释在当时同样与经典物理预期有出入的其他实验现象，如光电效应与原子稳定性问题等等。所以从此，量子力学诞生并且极大地改变了整个世界。

超标准模型新粒子

▲粒子物理标准模型

粒子物理标准模型可以说是现今最为成功的物理理论之一，它描述了物质最为微观的组成。通过多年的实验以及理论构建起的标准模型告诉我们，物质是有费米子（重子以及轻子）构成的，重子最为基本的单元是6种夸克，轻子也有六种分别是电子、谬子、陶子以及它们各自对应的中微子；而这12个基本粒子各自还有其对应的反粒子。同时标准模型还描述了物质之间的基本相互作用（除了引力以外），认为物质间的作用是通过交换玻色子来实现的：电磁相互作用通过交换光子，弱相互作用通过交换W和Z玻色子，强相互作用通过胶子。还有一种玻色子希格斯粒子给予物质质量。所以24种正反费米子以及5种玻色子构成了目前粒子物理标准模型；至2012年希格斯粒子在ATLAS以及CMS实验中被找到，标准模型粒子全部被实验验证。但是这不意味着标准模型就是完美的最终理论，我们仍然有可观数量的问题和实验现象没有被标准模型所解释：      

（一）电荷量子化问题和磁单极子：

磁单极子同时在粒子物理以及宇宙学上有着非常大的意义，它与长期悬而未决的电荷量子化问题息息相关，也是超标准模型大统一理论预言的重要粒子；同时也是宇宙极早期诞生的产物，带有宇宙早期的演化信息。

（二）暗物质和轴子：

暗物质的本质是什么？现今大多数物理学家认为，暗物质可能是一种超出标准模型的新粒子，背后蕴含着我们现今还未清楚的新物理的存在。主流理论认为暗物质粒子最为可能的候选者有两个，一个是大质量弱相互作用粒子，另一个就是轴子。轴子是为了解释强相互作用中电荷宇称守恒问题，而被提出来的，因为在标准模型下强相互作用电荷宇称是应该发生破缺的。同时由于轴子预期的质量极低，与物质间相互作用非常微弱，也是暗物质非常强力的候选者。

▲(上左图)星系旋转曲线示意图;

(上右图)子弹星系团碰撞后产物;

(下图)Planck卫星探测到的微波背景辐射温差图以及多极展开谱

不断进步的探测手段

对于磁单极子以及轴子这一类新粒子的探测，对于我们的探测手段有着非常高的要求；这一类探测通常被认为是稀有微弱物理过程。它们的信号要么特别稀有，显著受到地球上的各种辐射环境的影响；要么这类信号幅度非常小，很容易被无处不在的噪声给掩盖下去。过去几十年，针对稀有微弱物理过程的搜寻，探测器技术在不断地得到提升。

（一）磁单极子探测

对于磁单极子的探测，最为主流的方式有两种：深地粒子探测实验以及超导线圈实验。深地粒子探测器主要是利用传统的粒子探测手段，对于磁单极子穿过物质时产生的电离信号进行探测。另一种对于磁单极子重要的探测手段是利用超导线圈去探测磁单极子穿越时产生的感应电流。

▲(左)MACRO探测器示意;

(右)ICECUBE探测器示意。

（二） 轴子探测

主要的探测方式是基于理论认为轴子在强磁场下可能会转换为光子，比较著名的比如有微波谐振腔探测仪。它是通过构建特殊的几何形状腔体可以对微波进行谐振并收集，主要探测的是轴子与光子间的相互作用，在谐振腔中产生的特殊频率微波。

▲(左上)微波谐振腔示意图;(右上)太阳轴子探测器示意图;(下)激光穿墙实验探测器示。

（三）量子传感器开启粒子探测新篇章

随着粒子探测实验对于探测的精度要求越来越高，过去传统的基于电离能量探测的技术（闪烁体探测器、半导体探测器等等）逐渐开始无法满足要求；渐渐地一 些新兴的量子传感器技术开始被应用到粒子探测领域。一个成功的例子是在暗物质直接探测领域内的应用。

▲(左)CDMS 探测模块照片;

(右)探测原理示意图。

近几年越来越多的量子传感技术正在被运用到粒子探测领域，很有可能在近未来给我们新粒子领域带来重大突破，磁单极子和轴子探测只是一个开始。相信在不断提升探测精度的同时，一定会有更多的新物理迹象涌现，直到我们迎来下一个物理上的重大发现。