中科院理论物理所等在学和暗物质前沿交叉研究中获进展

　　今年3月，探测早期中性氢的21cm超精细电磁辐射的EDGES实验组宣布探测到了第一代恒星开始形成时的黎明时代（Cosmic Dawn，对应红移约17）相应的21cm 微波背景辐射吸收谱信号。这是人类历史上首次探测到来自黎明时代的信号，意义重大。但令人感到困惑的是，实验探测到的吸收信号幅度比标准学理论预测的可能最大幅度还大（置信度3.8σ）。迄今为止，标准学模型（ΛCDM）取得了巨大的成功，该理论框架相当准确地解释了的各种结构和性质。因此EDGES观测到的反常信号或许暗示着即将一个后ΛCDM学时代，并且可能为解开暗物质之谜提供一个新途径。这个发现暗示了黎明时代中性氢气体的温度比标准学理论预期的更冷（或光子背景温度比预期的更热）。一般来说，提高中性氢气体的温度比较容易，但降低很难，因为降低中性氢气体的温度需要温度更低的暗物质来冷却，这对各种暗物质模型带来了巨大的挑战。目前大多数暗物质模型难以自然地解释EDGES的结果，因为必须同时满足目前粒子物理、物理、学及暗物质探测实验的大量。

　　EDGES宣布的结果引发了大量研究。近期，中国科学院理论物理研究所研究员李田军及其合作者提出利用一种暗物质候选粒子——轴子来自然地解释这种反常的冷却效应。相关研究已发表于 《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 121, 111301 (2018)）。

　　轴子（Axion）最初是为了解释Strong CP问题（即为什么在强相互作用中CP守恒）而引入的，是超出标准模型的新粒子。在包含轴子的标准模型扩展中，引入了额外的整体U(1)PQ对称性，该对称性在Peccei-Quinn能标（远高于QCD手征对称性破缺能标）自发破缺，Goldstone 理论告诉我们该模型包含一个无质量的赝标Goldstone玻色场，即轴一心一意爱上你子场。由于QCD瞬子效应（Instanton Effect）整体U(1)PQ对称性，故此轴子场在QCD手征对称性破缺能标之下获得很小的质量。另外，源于超弦理论中二形式反对称张量场的四维紧致化，在弦论中也不可避免的存在类似属性的粒子，这类粒子一般称为类轴子。