物理學(xué)重大發(fā)現：自然界的第五種基本相互作用

　　匈牙利核物理研究所的物理學(xué)家發(fā)現了放射性衰變中的一個(gè)異?，F象，這或許意味著(zhù)自然界在四大基本作用力之外還存在第五種基本相互作用。

　　2015年，匈牙利物理學(xué)家在正負電子譜儀中發(fā)現了一種異常的放射性衰變，他們認為這代表著(zhù)一種新的粒子，但近日，一組美國理論物理學(xué)家認為這或許代表著(zhù)自然界的第五種相互作用。

　　由Attila Krasznahorkay領(lǐng)導的匈牙利科學(xué)院核物理研究所團隊于2015年在論文預印本網(wǎng)站arXiv上公布了這一發(fā)現，并于今年1月在《物理評論快報》上發(fā)表了論文。但這篇論文——號稱(chēng)發(fā)現了一種種只比電子重34倍的玻色子，并沒(méi)有得到學(xué)界的關(guān)注。

　　然而，一個(gè)月之前(4月25日)，一組美國理論物理學(xué)家在arXiv上發(fā)布了一篇新的論文，對匈牙利團隊的數據進(jìn)行了再分析，發(fā)現他們的結果并不與任何已知實(shí)驗相沖突，并進(jìn)一步推斷他們發(fā)現的可能是第五種基本相互作用。加州大學(xué)歐文分校的物理學(xué)家馮孝仁說(shuō)：“我們把原本艱澀難懂的數據梳理得更加清晰了。”他是這篇arXiv論文的第一作者。

　　4天后，馮孝仁團隊的兩位成員在于美國SLAC國家加速器實(shí)驗室舉行的研討會(huì )上報告并討論了這一發(fā)現。當時(shí)參會(huì )的研究者之一，托馬斯·杰斐遜國家加速器實(shí)驗室的Bogdan Wojtsekhowski透露，當時(shí)其他研究者雖然抱有懷疑，但都對這個(gè)想法感到激動(dòng)不已。“很多參會(huì )者都正在考慮如何通過(guò)獨立的方法來(lái)檢驗這一結果。”他說(shuō)。來(lái)自歐洲和美國的團隊都表示能在一年左右的時(shí)間內確認或證偽匈牙利團隊的實(shí)驗結果。

　　尋找新的作用力

　　物理學(xué)理論中有四大基本相互作用：引力、電磁力、強相互作用和弱相互作用，但也有很多研究者提出第五種相互作用，只是都沒(méi)有有力的證據。過(guò)去10年以來(lái)， 由于粒子物理的標準模型無(wú)法解釋暗物質(zhì)(一種占了宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的80%以上，卻不可見(jiàn)、難以捉摸的物質(zhì))的存在，對新的基本作用的搜尋更是逐漸升溫。理論物理學(xué)家提出了多種多樣的奇特物質(zhì)粒子和攜帶作用力的粒子，其中就包括“暗光子”。普通光子是傳遞電磁相互作用的載體，而根據他們的理論，暗光子就是這種新的相互作用的載體。

　　匈牙利團隊的Krasznahorkay說(shuō)他們就在尋找這樣的暗光子，而馮孝仁認為匈牙利團隊找到的是別的東西。后者的實(shí)驗是將質(zhì)子打到薄薄的鋰-7靶上，這會(huì )產(chǎn)生不穩定的鈹-8核，放出正負電子對。根據標準模型，放出的正負電子對彼此之間的軌道夾角越大，其數量就越少，但該團隊卻發(fā)現，正負電子對數量在140°的角度處出現了一個(gè)不尋常的“凸起”，在此之后才隨著(zhù)角度增大而減小。

　　“我們對這一發(fā)現很有自信。”

　　Krasznahorkay認為，這個(gè)“凸起”有力地表明鈹-8在此處分裂出了一種新的粒子，新粒子再衰變成一個(gè)正負電子對。他們通過(guò)計算表明這個(gè)新粒子的質(zhì)量約為17 MeV(兆電子伏特)。

　　“我們對這一發(fā)現很有自信。”Krasznahorkay說(shuō)。他們在過(guò)去的三年里已經(jīng)重復了好幾次實(shí)驗，消除了所有能夠想到的誤差來(lái)源。如果他們所說(shuō)的都是真的，那么這一“異常”的實(shí)驗結果只是純粹偶然出現的概率只有2000億分之一。

　　馮孝仁則認為，這個(gè)17 MeV的例子不是所謂的“暗光子”。在分析了“異常凸起”，并與之前的實(shí)驗結果相比對以后，他們認為這個(gè)粒子可能是一種“疏質(zhì)子X(jué)玻色子”(protophobic X boson)。這類(lèi)粒子傳遞了一種極短程的相互作用，其作用距離只有原子核直徑的幾倍。此外，暗光子可以與電子和質(zhì)子耦合，而這種新玻色子耦合的是電子和中子。馮孝仁的團隊還在分析是否有其他粒子能解釋這種異?，F象，但疏質(zhì)子X(jué)玻色子仍然是能最為簡(jiǎn)單地解釋該現象的一種可能理論。

　　非常規的耦合

　　麻省理工學(xué)院(MIT)的理論物理學(xué)家Jesse Thaler對此抱有懷疑。他說(shuō)：“馮孝仁團隊提出的耦合太不尋常了，如果要我來(lái)對標準模型進(jìn)行補充以解釋這一現象，我首先提出的肯定不會(huì )是這樣的觀(guān)點(diǎn)。”不過(guò)，他仍在關(guān)注這一提議：“或許這能成為我們對可見(jiàn)宇宙之外的物理學(xué)世界的最初一瞥。”

　　研究者很快就能驗證這一17 MeV的新粒子是否確鑿存在了。上文提到的杰斐遜加速器實(shí)驗室就在進(jìn)行一個(gè)叫做“暗光”(DarkLight)的實(shí)驗，通過(guò)向氫氣靶上轟擊電子來(lái)尋找質(zhì)量在10到100 MeV間的暗光子。該項目的發(fā)言人，MIT的Richard Milner表示，他們會(huì )優(yōu)先以17 MeV的區域為目標，在一年左右的時(shí)間內就能找到匈牙利團隊所說(shuō)的的粒子，或至少對它與普通物質(zhì)的耦合設立嚴格的界限。

　　歐洲核子中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)中原本用來(lái)研究夸克-反夸克衰變的LHCb實(shí)驗也會(huì )尋找該玻色子，除此之外歐洲還有兩個(gè)另外的實(shí)驗也會(huì )向固定靶轟擊正電子：一個(gè)位于羅馬附近的弗拉斯卡蒂?lài)覍?shí)驗室(預計2018年啟動(dòng))，另外一個(gè)位于俄羅斯西伯利亞的布德克爾核物理研究所。

　　紐約州立大學(xué)石溪分校的理論物理學(xué)家，同時(shí)也是SLAC研討會(huì )組織者之一的Rouven Essig認為，這種新玻色子“出人意料的性質(zhì)”會(huì )讓物理學(xué)家很難確認它的存在，但他很歡迎大家來(lái)檢驗它。“不做另外的實(shí)驗來(lái)檢驗這個(gè)結果就是瘋了，”他說(shuō)，“畢竟大自然曾給我們帶來(lái)過(guò)這樣那樣的驚喜!”