第五種基本力：是事實還是虛構？

溫馨提示：還不了解四種基本力的讀者請查閱：《一場基本力之間的較量》。

粒子物理學的標準模型，包含了電磁力、強核力和弱核力，成功的解釋了我們在加速器和探測器觀測到的所有粒子的作用。標準模型再加上廣義相對論（描述引力的理論），就可以解釋所有的粒子和它們的相互作用。這四種基本力可以解釋：粒子-粒子的對撞；粒子衰變；粒子和反粒子的產生和湮滅；以及所有粒子的散射現象。

粒子物理學的標準模型，所有的粒子都已經被探測到。（ E.Siegel）

當然，還有許多現象是沒有被解釋的，比如物質/反物質的不對稱，暗物質，缺乏強CP破壞或暗能量。但是就目前所觀測到的所有粒子，利用標準模型結合廣義相對論都能夠完美解釋。這樣的局面，至少維持到去年。直到匈牙利的科學家在實驗中觀測到了一次罕見，短命的元素的衰變。這個元素就是鈹-8（在《三個不一般的元素》中我們提到過它）。

恆星中發生的3氦過程，產生碳元素和重元素的必要過程。但是需要第三個氦-4原子核在鈹-8發生衰變前相互作用。否則鈹-8會衰變會兩個氦-4。（ E.Siegel）

鈹-8在產生宇宙中的重元素中扮演著至關重要的角色。在恆星（比如太陽）中心，氫會聚變為氦。只要在核心還有氫在聚變，那麼元素周期表就會停留在氦。一旦氫燃燒殆盡，核心就會收縮並且加熱，直到溫度高到足以把氦聚變為碳。為了達到這一步，必須經歷一個中間步驟：兩個氦聚變為鈹-8，再加上一個氦就會產生碳（上圖）。但是經歷這一過程的時間非常的短暫，因為鈹-8在極其短暫的時間內就會衰變成兩個氦原子核，多短暫？10?1?秒！！這意味著碳都是在這麼短的時間內形成的。只有達到了這一步，才能產生更重的元素。

鈹-8核激發態，在18.15MeV態（紅色）上出現異常。18.15MeV和17.64MeV兩個激發態都會衰變到基態上。（ Savage et al. 1987）

有狹義相對論背景的讀者可以嘗試通過能量/動量守恆推導出該X玻色子的質量：

在實驗室中，可以通過用質子轟炸在薄薄的鋰-7靶上，來產生稍縱即逝的鈹-8。通過這個過程，甚至可以製造出處於激發態的鈹-8，這樣就能確保鈹-8不僅僅只會衰變成兩個氦原子核，還會在衰變的過程中輻射出高能的光子。在如此高的能量環境下，光子還會自發的產生電子/正電子對。由於能量/動量守恆，釋放出的電子和正電子之間會有特定的軌道夾角。

看雲室中看到的不穩定粒子的衰變軌跡，從這我們可以知道它們原來的反應物。這裡顯示的是氡-220的衰變。（ Wikimedia Common Clodylabs）

我們期待會看到一連串這些不同的軌道夾角，隨著電子和正電子軌道夾角的增大，觀測到的正負電子對的數量就越少。但是，由Krasznahorkay領導一個匈牙利團隊發現，正負電子對數量在140度的角度處出現了一個耐人尋味的「凸起」。除了光子，得到這麼一個「凸起」最簡單的方式是允許鈹-8在此處分裂出一種新的粒子，新粒子再衰變成一個正負電子對。

匈牙利團隊的實驗結果，新粒子的質量為17MeV/c2。（ A.J.Kraznahorkay et al. 2016）

大約兩個星期前，當馮孝仁團隊發表了他們的論文（arXiv:1604.07411）後，物理學家和媒體界都沸騰了。他們對實驗結果進行了再分析後認為這個粒子可能是一種新的粒子，一種質量為17MeV/c2的「疏質子」（因為它的行為像一個光子）玻色子，需要通過第五種力相互作用。這個結果是革命性的，是諾貝爾獎級別的發現！但前提是，實驗結果是對的。而要確認真的存在第五種力，還要需要更多的努力。首先，匈牙利團隊的實驗必須能夠被重複，要知道該團隊在過去幾年都有宣稱發現了新粒子，但隨著數據的增加，新粒子的信號也隨之消失。另一方面，根據馮孝仁的想法，該疏質子X玻色子是一種奇異並極其短程的相互作用，只與一小子集的已知粒子相耦合。正如論文的合著者Timothy Tait所說，「我們所發現的已知玻色子並沒有這樣的信號。因此我們就將它稱為『X玻色子』，『X』意味著未知。」再者，該相互作用必須非常的弱，否則它是無法逃過這65年來對粒子的探測。這更像是理論學家構建了一個模型來追尋根本不存在的幽靈粒子。

馮孝仁的假想，一個特定能量的質子轟炸了處於靜止的鋰-7原子核，並激發他們成為181.5MeV的鈹-8態。接著會衰變為鈹-8基態。有一些衰變會通過一個疏質子X玻色子傳遞，該玻色子會衰變為特定夾角的電子和正電子，並被探測到。（ Flip Tanedo）

但如果這的確是一個新粒子，這將改變一切。新粒子的靜止質量（17MeV/c2）以及它的其它性質非常值得探討。它的自旋為1，代表它是一個玻色子。它要傳播的足夠遠，使它在10?1?秒的時間裡能夠被探測到，這告訴我們這是一個弱衰變，而不是電磁衰變，意味著它不是一個輕子束縛態。它也不可能是兩個夸克的結合，因為它太輕了。如果粒子是真實存在的，它應該是一種全新的粒子，不在標準模型範圍內的新粒子。

原始數據的異常信號（圓圈圈），顯示了潛在的發現。儘管看起來好像只是一個很小的差別，但在統計上卻是非常顯著的。（A.J.Kraznahorkay et al. 2016）

但或許它不是真的。這很可能只是一個實驗哪裡出現的錯誤。檢驗該結果的最佳途徑並不是來自理論組，而是一個獨立的實驗小組能夠複製該實驗，並且得到更高精度的結果以及更小的誤差。他們需要探測鈹-8的激發態是否需要一個額外的，不是光子的粒子來解釋這個衰變。如果需要一個新粒子，那麼我們就發現了非常了不得的事情，但如果不需要，這將只是眾多超越標準模型信號中的又一個讓物理學家空歡喜的信號。

焦躁不安的物理學家現在太需要一個能夠打破現狀的新發現，以至於哪怕是一個錯誤的信號也能夠掀起一番激烈的討論。

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