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物理学家发现了自然界第五种基本相互作用?非常规的耦合

  匈牙利核物理研究所的物理学家发现了放射性衰变中的一个异常现象,这或许意味着自然界在四大基本作用力之外还存在第五种基本相互作用。

匈牙利核物理研究所的物理学家称,他们正是通过这台正负电子谱仪发现了新的粒子。图片来源:MTA-Atomki

  匈牙利核物理研究所的物理学家称,他们正是通过这台正负电子谱仪发现了新的粒子。图片来源:MTA-Atomki

  2015年,匈牙利物理学家在正负电子谱仪中发现了一种异常的放射性衰变,他们认为这代表着一种新的粒子,但近日,一组美国理论物理学家认为这或许代表着自然界的第五种相互作用。

  由Attila Krasznahorkay领导的匈牙利科学院核物理研究所团队于2015年在论文预印本网站arXiv上公布了这一发现,并于今年1月在《物理评论快报》(PRL)上发表了论文。但这篇论文——号称发现了一种种只比电子重34倍的玻色子,并没有得到学界的关注。

  然而,一个月之前(4月25日),一组美国理论物理学家在arXiv上发布了一篇新的论文,对匈牙利团队的数据进行了再分析,发现他们的结果并不与任何已知实验相冲突,并进一步推断他们发现的可能是第五种基本相互作用。加州大学欧文分校的物理学家冯孝仁(Jonathan Feng)说:“我们把原本艰涩难懂的数据梳理得更加清晰了。”他是这篇arXiv论文的第一作者。

  4天后,冯孝仁团队的两位成员在于美国SLAC国家加速器实验室举行的研讨会上报告并讨论了这一发现。当时参会的研究者之一,托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的Bogdan Wojtsekhowski透露,当时其他研究者虽然抱有怀疑,但都对这个想法感到激动不已。“很多参会者都正在考虑如何通过独立的方法来检验这一结果。”他说。来自欧洲和美国的团队都表示能在一年左右的时间内确认或证伪匈牙利团队的实验结果。

  寻找新的作用力

  物理学理论中有四大基本相互作用:引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用,但也有很多研究者提出第五种相互作用,只是都没有有力的证据。过去10年以来,由于粒子物理的标准模型无法解释暗物质(一种占了宇宙物质总质量的80%以上,却不可见、难以捉摸的物质)的存在,对新的基本作用的搜寻更是逐渐升温。理论物理学家提出了多种多样的奇特物质粒子和携带作用力的粒子,其中就包括“暗光子”(dark photon)。普通光子是传递电磁相互作用的载体,而根据他们的理论,暗光子就是这种新的相互作用的载体。

  匈牙利团队的Krasznahorkay说他们就在寻找这样的暗光子,而冯孝仁认为匈牙利团队找到的是别的东西。后者的实验是将质子打到薄薄的锂-7靶上,这会产生不稳定的铍-8核,放出正负电子对。根据标准模型,放出的正负电子对彼此之间的轨道夹角越大,其数量就越少,但该团队却发现,正负电子对数量在140°的角度处出现了一个不寻常的“凸起”,在此之后才随着角度增大而减小。

  “我们对这一发现很有自信。”

  Krasznahorkay认为,这个“凸起”有力地表明铍-8在此处分裂出了一种新的粒子,新粒子再衰变成一个正负电子对。他们通过计算表明这个新粒子的质量约为17 MeV(兆电子伏特)。

  “我们对这一发现很有自信。”Krasznahorkay说。他们在过去的三年里已经重复了好几次实验,消除了所有能够想到的误差来源。如果他们所说的都是真的,那么这一“异常”的实验结果只是纯粹偶然出现的概率只有2000亿分之一。

  冯孝仁则认为,这个17 MeV的例子不是所谓的“暗光子”。在分析了“异常凸起”,并与之前的实验结果相比对以后,他们认为这个粒子可能是一种“疏质子X玻色子”(protophobic X boson)。这类粒子传递了一种极短程的相互作用,其作用距离只有原子核直径的几倍。此外,暗光子可以与电子和质子耦合,而这种新玻色子耦合的是电子和中子。冯孝仁的团队还在分析是否有其他粒子能解释这种异常现象,但疏质子X玻色子仍然是能最为简单地解释该现象的一种可能理论。

  非常规的耦合

  麻省理工学院(MIT)的理论物理学家Jesse Thaler对此抱有怀疑。他说:“冯孝仁团队提出的耦合太不寻常了,如果要我来对标准模型进行补充以解释这一现象,我首先提出的肯定不会是这样的观点。”不过,他仍在关注这一提议:“或许这能成为我们对可见宇宙之外的物理学世界的最初一瞥。”

  研究者很快就能验证这一17 MeV的新粒子是否确凿存在了。上文提到的杰斐逊加速器实验室就在进行一个叫做“暗光”(DarkLight)的实验,通过向氢气靶上轰击电子来寻找质量在10到100 MeV间的暗光子。该项目的发言人,MIT的Richard Milner表示,他们会优先以17 MeV的区域为目标,在一年左右的时间内就能找到匈牙利团队所说的的粒子,或至少对它与普通物质的耦合设立严格的界限。

  欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)中原本用来研究夸克-反夸克衰变的LHCb实验也会寻找该玻色子,除此之外欧洲还有两个另外的实验也会向固定靶轰击正电子:一个位于罗马附近的弗拉斯卡蒂国家实验室(预计2018年启动),另外一个位于俄罗斯西伯利亚的布德克尔核物理研究所。

  纽约州立大学石溪分校的理论物理学家,同时也是SLAC研讨会组织者之一的Rouven Essig认为,这种新玻色子“出人意料的性质”会让物理学家很难确认它的存在,但他很欢迎大家来检验它。“不做另外的实验来检验这个结果就是疯了,”他说,“毕竟大自然曾给我们带来过这样那样的惊喜!”

文  环球科学

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