把原子核猛烈加速就能从虚空里抖出暗物质？德理学家抛出惊人配方

宇宙的账本，一直对不上。

天文学家把宇宙中所有看得见的普通物质加起来，再算出它们应该产生多少引力，结果发现实际的引力远远超出预期。这不是四舍五入的小误差，而是一个巨大的缺口。

科学家把这个看不见的引力来源称为“暗物质”，并估计它的总量大约是普通物质的五倍。

暗物质似乎无处不在，可人类至今说不清它是什么，更不知道如何在实验室里把它造出来。星系旋转得太快、星系团抱得太紧，这些现象都在提醒我们，宇宙里还藏着一个巨大的“隐形房客”。

如今，一篇理论论文提出了一份新“配方”。

德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心的理论物理学家斯特凡·埃文斯（Stefan Evans）和拉尔夫·舒茨霍尔德（Ralf Schützhold）设想，只要把原子核加速得足够猛烈，就可能扰动量子真空，凭空产生成对的轴子。

相关研究已发表在美国物理学会旗下的《物理评论D》上，引发了不少粒子物理学者的兴趣。

轴子是一种假想粒子，也是暗物质最受追捧的候选者之一。

轴子：一只脚踏在两个世界

轴子的故事已有将近半个世纪，最初它并不是为了解释暗物质而提出的。

卡西米尔效应示意图。（Emok/Wikimedia Commons，CC BY-SA 3.0）

它诞生于量子色动力学，也就是描述强相互作用的理论，这种力把夸克牢牢捆在一起，组成质子和中子。该理论本来允许某种对称性破缺出现，但现实中它偏偏没有发生，这就是著名的“强CP问题”。

轴子正是解决这一难题的方案中冒出来的副产品。意外的是，它的性质恰好也让它成为理想的暗物质候选者。

于是，轴子一只脚踏在量子色动力学里，另一只脚踏在暗物质研究里。

这篇论文用到的，正是它在量子色动力学里的那只脚。

在这套理论中，看似空无一物的真空其实并不空，而是充满一种由夸克和反夸克对组成的背景，叫做“夸克凝聚”。

原子核内部的夸克凝聚要比外面弱一些，而夸克凝聚的强弱会影响轴子的有效质量。因此，如果轴子存在，它在原子核内部会显得更“轻”。

这让原子核对轴子来说，成了一种特殊的介质，就像水对于光来说是与空气不同的介质。

从卡西米尔效应到“抖出”粒子

量子力学告诉我们，即使是完全空旷的空间，也不可能绝对平静。

弥漫在空间中的各种场始终保留着一种无法消除的量子涨落，这就是“真空涨落”。

真空涨落最著名的奇异后果之一，就是卡西米尔效应。把两块导体板贴得极近，板间允许存在的涨落与板外不同，由此产生的真空能量差会在两块板之间形成可以测量的吸引力。

埃文斯和舒茨霍尔德推想，轴子场也应该出现类似的现象。既然原子核会改变轴子的有效质量，它就会改变周围轴子场的真空涨落。

他们的计算显示，如果把两个原子核放得很近，这些被改变的涨落会在两者之间产生一种类似卡西米尔力的吸引作用。

但真正的好戏，发生在物体开始剧烈运动的时候。

如果扰动量子场的物体变化得足够快，它就能向场中注入能量，把原本虚无缥缈的真空涨落，变成一对对实实在在的粒子。这被称为“动态卡西米尔效应”，物理学家早已在实验中用它制造出了真实的光子。

两位研究者认为，一个被猛烈加速的原子核，恰好能以合适的方式搅动周围的轴子场，把一部分能量变成一对相互纠缠的真实轴子。

同一过程还有另一种更离奇的解读，那就是“安鲁效应”。按照这一效应，一个做匀加速运动的观察者会发现，在静止观察者眼中空无一物的真空，竟是一锅温暖的粒子热汤，加速度越大，这锅汤就越热。

从加速原子核的视角看，它是在一锅轴子热汤里撞飞了一个轴子。而从我们的视角看，就像一个飞驰的原子核凭空从真空中蹦出了一对纠缠的轴子。

听起来疯狂，但也许能试一试

这一切听上去近乎天方夜谭，但研究者认为，现有技术或许已经具备检验它的条件。

他们提出的一个可能场景，是“超边缘重离子碰撞”。在这种过程中，两个以接近光速飞行的原子核擦肩而过，并不真正相撞，但它们强大的电磁场会发生相互作用，让原子核的运动发生剧烈突变。

当然，挑战同样巨大。产生轴子对的概率高度依赖于轴子本身的质量，而即便真的造出了轴子，要探测到它又是另一回事。

研究者设想，或许需要借助高灵敏度的液氙暗物质探测器，而且轴子还得恰好朝着探测器的方向飞去。

从更大的背景看，全球的暗物质直接探测实验多年来一直在“守株待兔”，等待宇宙中的暗物质粒子自己撞上门来。这篇论文则提供了一种反向思路：与其被动等待，不如主动去“制造”它。

无论最终能否成功，这种思路都为寻找暗物质打开了一扇新的窗户。它也让人再次感叹，真空这个看似最无聊的东西，恰恰可能是物理学最深的宝藏。

毕竟，想要做一锅轴子汤，总得先打破几个鸡蛋。