科学家探测到了几十年前预测的神秘粒子的踪迹

长期以来，一直在寻找的假设粒子的证据隐藏在X射线视线范围内。科学家证明，从被称为“Magnificent Seven”的中子星上发出的X射线辐射是如此之大，以至于它可能来自轴子（一种长期预测的粒子），轴子是由这些致密死亡天体的核心锻造形成的。

如果他们的发现得到证实，那么这项发现将有助于揭示物理宇宙的一些奥秘——包括将其凝聚在一起的神秘暗物质的本质。

“在理论和实验中，寻找轴子一直是高能粒子物理学的主要工作之一。”明尼苏达大学的天文学家雷蒙德·科说，“我们认为轴子有可能存在，但我们尚未发现它们。您可以将轴子视为幽灵粒子。它们可以在宇宙中的任何地方，但是它们与我们的相互作用不强，因此我们对轴子没有任何观察结果。”

轴子是假设的超低质量粒子，首先在1970年代被理论化，以解决为什么大多数模型都说强原子力遵循所谓的电荷奇偶性对称性的问题。

轴子论是由许多弦论模型预测的，这是解决广义相对论和量子力学之间关系的一种提议的解决方案，而且特定质量的轴子也是暗物质候选者。因此，科学家有很好的理由去寻找它们。

如果存在，预计将在恒星内部产生轴子。这些恒星轴子与暗物质轴子不同，但是它们的存在将暗示存在其他种类的轴子。

寻找轴子的一种方法是寻找多余的辐射。在存在磁场的情况下，预计轴子会衰减为成对的光子——因此，如果在预计会发生衰减的区域中检测到的电磁辐射超过应检测到的电磁辐射，则可能构成轴子的证据。

在这种背景下，天文学家在名为“MagnificentSeven”中子星上发现了多余的硬X射线。

这些中子星——在超新星中死亡的大质量恒星的坍塌核心——不是聚集在一起的，而是具有许多共同特征。它们都是恒星死亡后几十万年左右的孤立的中子星。

它们都在冷却，同时发出低能量（软）X射线。它们都有强大的磁场，其强度比地球强数十亿倍，足以触发轴子衰变。它们都离地球相对较近，距离地球不到1,500光年。

这使它们成为寻找轴子的极佳实验室，当由资深作者和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家本杰明·萨夫迪（Benjamin Safdi）领导的一组研究人员，用多台望远镜研究了“MagnificentSeven”时，他们发现了这种中子星没有预期的高能（硬）X射线发射。

但是，在太空中，有许多过程会产生辐射，因此研究小组必须仔细检查其他潜在的辐射源。例如，脉冲星会发出硬X射线。但是“MagnificentSeven”中不存在脉冲星发出的其他辐射，例如无线电波。

另一种可能性是，中子星附近的未解析源可能会产生硬X射线发射。但是研究小组使用的来自两个不同空间X射线观测站（XMM-Newton和钱德拉（Chandra））的数据集表明，辐射是来自中子星。研究小组发现，该信号也不可能是软X射线发射堆积的结果。

“我们非常有信心，这种多余的硬射线确实存在，并且非常有信心在这种多余硬射线中有新的东西。”萨夫迪说， “如果我们百分百确定我们所看到的是一个新粒子，那将是物理学上的一次革命。”

这并不是说多余的射线就是新粒子，这可能是一个以前未知的天体物理过程。或者它可能像望远镜或数据处理中的人工制品一样简单。

“我们还没有声称我们已经发现了轴子，但是我们说的是多余的X射线光子可以用轴子来解释。”雷蒙德·科说，“这是对X射线光子中过量物质的令人兴奋的发现，这种可能性令人激动，已经与我们对轴子的解释一致。”

下一步将是尝试验证发现。如果多余的X射线是由轴子产生的，那么大多数辐射应该以比XMM-牛顿卫星和钱德拉（Chandra）能够检测到的能量更高的能量发射。该小组希望使用一种新的望远镜，即美国宇航局（ASA）的NuSTAR望远镜，在更宽的波长范围内观察“MagnificentSeven”。

磁化的白矮星可能是寻找轴子发射的另一个地方。与“MagnificentSeven”一样，这些天体也具有强磁场，并且不会产生硬X射线发射。

萨夫迪说：“如果我们在那里也看X射线过量，那么这将超出标准模型，这会令人更加信服。”