紫金山天文台等提出利用事件视界望远镜黑洞偏振观测探索轴子的新方法
2019年4月10日，事件视界望远镜（EHT）合作组公布了其对M87星系中心超大质量黑洞的成像观测结果，这是人类首次直接对黑洞进行成像，而EHT的观测结果又一次验证了爱因斯坦的广义相对论，对基础物理理论的认识具有深远的影响。除了在检验引力理论、研究黑洞物理等方面的重要意义，黑洞照片也将在诸多新物理探索方面起到独一无二的作用。
近期紫金山天文台和理论物理研究所、美国犹他大学等单位的研究人员合作，提出利用EHT对黑洞高分辨率的偏振成像观测可以用来探测一类非常轻的称作轴子的新粒子。
半个世纪以前，著名的广义相对论专家罗杰·彭罗斯爵士提出——旋转黑洞周围可以不断产生轻的粒子，这一过程称作超辐射。对于自旋为整数的玻色子，例如轴子——一种理论上提出的用于解释强相互作用中CP问题的假想粒子，会形成玻色-爱因斯坦凝聚现象，附着在黑洞四周组成宏观的超流体量子态。这些粒子从黑洞自转中提取能量，源源不断地被产生，使粒子密度越来越高。由于超流体的量子相干性，粒子云会形成类似氢原子那样的量子化轨道能级。这一宏观量子力学现象让旋转黑洞和玻色子云组成的系统如同一个“引力原子”，其“原子核”是旋转黑洞，相互作用则是引力(图1)。
图1：旋转黑洞周围由超辐射形成的玻色子云，如同一个引力原子。 ( ?contribId=178&confId=47 )
轴子也可能构成我们宇宙中的暗物质。发现轴子对于我们理解和扩充粒子物理标准模型以及标准宇宙学都具有显而易见的重要意义。轴子有一个关键的性质，它们除了和强作用的胶子耦合外，也能自然地与电磁场产生相互作用，使得在轴子云中传播的偏振光子偏振角发生旋转，类似于磁场中的法拉第旋光效应。处于量子相干态的轴子云会随时间振荡，该偏振角也将不断变化，其变化频率依赖于轴子的质量。除了时间振荡外，绕着黑洞自转轴的转角不同也会带来一个偏振角的变化。这种时间上的周期性振荡和空间上的变化图样成为探索轴子的独特信号。因此，通过EHT望远镜观测黑洞吸积盘偏振辐射图样及其随时间的变化便可用于探索轴子这样的新物理粒子。图2给出我们预期通过EHT的偏振观测将能够探索的轴子质量及与光子耦合强度的二维参数区间。该项研究近日发表于著名学术期刊《物理评论快报》。
图2：利用EHT对黑洞的偏振观测预期能够探索的轴子参数区间(绿色对应于M87，红色对应于银心)以及和地面实验CAST及超新星1987A得到的结果(浅色阴影区间)比较。横轴为轴子质量，纵轴为轴子-光子耦合强度。
该研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项和百人计划等项目资助。
文章链接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.061102
背景知识：轴子是1977年由Peccei和Quinn为解决强相互作用中的CP破缺极小问题而提出来的一种假想粒子。在基本粒子物理相互作用过程中，分立对称性如空间宇称变换P和正反粒子电荷共轭变换C以及CP联合变换都被发现是不守恒的，李政道和杨振宁因为提出弱作用过程中P宇称破缺而获得诺贝尔奖，克罗宁和菲奇因发现K介子衰变过程中CP破缺也获得诺贝尔奖。然而在强相互作用过程中尚未发现CP破缺的迹象，而这跟电弱过程中的CP破缺难以自洽。Peccei和Quinn引入一种新的对称性，相应地给出一个新粒子(轴子)，通过它和胶子的耦合可以自然地消除强相互作用中的CP破坏项，解决强CP问题。有意思的是，轴子作为一种长寿命不带电粒子还可以解释宇宙中的暗物质。通过地面实验和天文学观测寻找轴子及其推广的类轴子粒子成为近年来粒子物理和宇宙学领域的前沿热点课题。
