反物質與暗物質之間有聯繫嗎？
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無論是在可觀測的宇宙邊緣，還是在我們的身邊，物質都無處不在。但對我們來說，物質依然是神秘的存在。
它的第一個神秘之處在於，我們所看到的普通物質世界本應不存在。最前沿的物理理論告訴我們，在宇宙大爆炸之後，普通物質和反物質應該被等量地創造了出來，因此物質與反物質應該會全部相互湮滅。但結果是不是何原因，物質在湮滅大戰中戰勝了反物質。
另一個神秘之處在於，我們所能看到的普通物質實際上只佔宇宙物質中的一小部分，大多數物質都是以暗物質的形式存在的（85%）。物理學家尚不清楚暗物質的本質，只知道這是一種似乎與光或其他物質都不會產生明顯相互作用的物質。
為了解開這兩個問題，物理學家提出了一些富有潛力的理論，而且其中一些甚至是可被檢驗的。在這麼多方法中，有一個解決方案尤為有趣，物理學家開始思考：反物質和暗物質之間是否存在聯繫？
在一項新的研究中，一個國際合作的科研團隊BASE完成了第一個將正反物質問題與暗物質問題聯繫起來的實驗。在實驗中，他們探討了正反物質與一種暗物質粒子之間的相互作用是否有所不同。
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多年來，對暗物質的研究焦點一直聚集在一類被稱為大質量弱相互作用粒子（WIMP）的假想粒子中。這些重的、移動相對緩慢的粒子最符合我們從宇宙的行為中推測出的暗物質性質。然而，無論是使用大型強子對撞機（LHC）還是一些專門的探測器，都沒有發現WIMP的蹤跡。因此一些研究人員開始思考，或許有其他的粒子可以替代WIMP。
軸子就是這樣一種候選粒子，這是一種最初為了解決量子色動力學（QCD）領域中的問題（為什麼中子缺乏可測量的電偶極矩？）而被提出的假想粒子。軸子比WIMP更輕，但它可以以其龐大的數量在不需要額外粒子的情況下解釋暗物質的存在。由於軸子的性質已經因它們在QCD中所扮演的角色而被定義了，所以用來檢驗軸子存在的方法有很多。
在新的實驗中，研究人員就探索了一種類軸子粒子與反物質的相互作用，他們在實驗室中創造了一些反物質，然後檢測了類軸子粒子與這些反物質的作用是否不同於普通物質與之的相互作用。
那麼要如何尋找軸子和反物質之間的相互作用呢？與普通粒子一樣，反物質粒子的自旋也會與外部磁場對齊。然而，它們的自旋也會經歷旋進，在這個進動過程中，自旋會圍繞著與磁場成直線的方向擺動。如果軸子真的存在並能與反物質發生相互作用，那麼它們就應該以一種可以改變這種擺動的方式存在。此外，如果軸子真的就是暗物質粒子，那麼這些相互作用應該發生得十分頻繁，頻繁到可以被我們所探測到。
研究人員在實驗中使用了一種名為潘寧阱的特殊裝置，它能用磁力捕獲單個反物質粒子，防止它與普通物質接觸而導致湮滅。接著，他們測量了反物質粒子的自旋進動頻率。通常情況下，自旋進動頻率在給定的磁場中應該是恆定的。
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這一實驗設計成功地讓研究人員得以測量反物質的旋進。然而，他們最終並沒有發現明顯的區別，但這並不意味著反物質粒子與類軸子粒子之間沒有發生相互作用。
研究人員認為，實驗結果表明，任何與軸子發生的相互作用都與在這個實驗中所假設的軸子性質不同。因此，通過逐條排除軸子的一些可能特性，我們最終或許能通過實驗將軸子排除在暗物質的候選粒子之外。例如，如果軸子的質量最終被作為一個排除它是暗物質在因素，那麼就沒有再考慮它們存在的意義了。除此之外，新的實驗也為暗物質和反物質之間的潛在相互作用設定了一個新的上限。
在此次實驗中，研究人員使用的反物質粒子為反質子。未來，研究人員還將致力於進一步限制軸子-反質子的相互作用，更進一步地提高測量自旋進動頻率的準確性。並且他們還計劃探尋類軸子的暗物質粒子與其他形式的反物質（如正電子）發生相互作用的證據。
通過這樣的實驗，物理學家或許可以觀測到暗物質與反物質之間的相互作用究竟有何不同，從而最終幫助我們解答，為何宇宙中的普通物質遠多於反物質。
參考鏈接：
https://arstechnica.com/science/2019/11/dark-matter-link-to-regular-matters-dominance-fails-to-show-up/
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03431-5
