物理學家發現了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家發現了放射性衰變中的一個異常現象，這或許意味著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。
匈牙利核物理研究所的物理學家稱，他們正是通過這台正負電子譜儀發現了新的粒子。圖片來源：MTA-Atomki
2015年，匈牙利物理學家在正負電子譜儀中發現了一種異常的放射性衰變，他們認為這代表著一種新的粒子，但近日，一組美國理論物理學家認為這或許代表著自然界的第五種相互作用。
由Attila Krasznahorkay領導的匈牙利科學院核物理研究所團隊於2015年在論文預印本網站arXiv上公布了這一發現，並於今年1月在《物理評論快報》（PRL）上發表了論文。但這篇論文——號稱發現了一種種只比電子重34倍的玻色子，並沒有得到學界的關注。
然而，一個月之前（4月25日），一組美國理論物理學家在arXiv上發布了一篇新的論文，對匈牙利團隊的數據進行了再分析，發現他們的結果並不與任何已知實驗相衝突，並進一步推斷他們發現的可能是第五種基本相互作用。加州大學歐文分校的物理學家馮孝仁（Jonathan Feng）說：「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天後，馮孝仁團隊的兩位成員在於美國SLAC國家加速器實驗室舉行的研討會上報告並討論了這一發現。當時參會的研究者之一，托馬斯·傑斐遜國家加速器實驗室的Bogdan Wojtsekhowski透露，當時其他研究者雖然抱有懷疑，但都對這個想法感到激動不已。「很多參會者都正在考慮如何通過獨立的方法來檢驗這一結果。」他說。來自歐洲和美國的團隊都表示能在一年左右的時間內確認或證偽匈牙利團隊的實驗結果。
尋找新的作用力
物理學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，只是都沒有有力的證據。過去10年以來，由於粒子物理的標準模型無法解釋暗物質（一種佔了宇宙物質總質量的80%以上，卻不可見、難以捉摸的物質）的存在，對新的基本作用的搜尋更是逐漸升溫。理論物理學家提出了多種多樣的奇特物質粒子和攜帶作用力的粒子，其中就包括「暗光子」（dark photon）。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。後者的實驗是將質子打到薄薄的鋰-7靶上，這會產生不穩定的鈹-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，但該團隊卻發現，正負電子對數量在140°的角度處出現了一個不尋常的「凸起」，在此之後才隨著角度增大而減小。
「我們對這一發現很有自信。」
Krasznahorkay認為，這個「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正負電子對。他們通過計算表明這個新粒子的質量約為17 MeV（兆電子伏特）。
「我們對這一發現很有自信。」Krasznahorkay說。他們在過去的三年里已經重複了好幾次實驗，消除了所有能夠想到的誤差來源。如果他們所說的都是真的，那麼這一「異常」的實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17 MeV的例子不是所謂的「暗光子」。在分析了「異常凸起」，並與之前的實驗結果相比對以後，他們認為這個粒子可能是一種「疏質子X玻色子」（protophobic X boson）。這類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常現象，但疏質子X玻色子仍然是能最為簡單地解釋該現象的一種可能理論。
非常規的耦合
麻省理工學院（MIT）的理論物理學家Jesse Thaler對此抱有懷疑。他說：「馮孝仁團隊提出的耦合太不尋常了，如果要我來對標準模型進行補充以解釋這一現象，我首先提出的肯定不會是這樣的觀點。」不過，他仍在關注這一提議：「或許這能成為我們對可見宇宙之外的物理學世界的最初一瞥。」
研究者很快就能驗證這一17 MeV的新粒子是否確鑿存在了。上文提到的傑斐遜加速器實驗室就在進行一個叫做「暗光」（DarkLight）的實驗，通過向氫氣靶上轟擊電子來尋找質量在10到100 MeV間的暗光子。該項目的發言人，MIT的Richard Milner表示，他們會優先以17 MeV的區域為目標，在一年左右的時間內就能找到匈牙利團隊所說的的粒子，或至少對它與普通物質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）中原本用來研究夸克-反夸克衰變的LHCb實驗也會尋找該玻色子，除此之外歐洲還有兩個另外的實驗也會向固定靶轟擊正電子：一個位於羅馬附近的弗拉斯卡蒂國家實驗室（預計2018年啟動），另外一個位於俄羅斯西伯利亞的布德克爾核物理研究所。
紐約州立大學石溪分校的理論物理學家，同時也是SLAC研討會組織者之一的Rouven Essig認為，這種新玻色子「出人意料的性質」會讓物理學家很難確認它的存在，但他很歡迎大家來檢驗它。「不做另外的實驗來檢驗這個結果就是瘋了，」他說，「畢竟大自然曾給我們帶來過這樣那樣的驚喜！」
撰文 埃德溫·卡特利奇（Edwin Cartlidge）
翻譯 丁家琦
審校 韓晶晶
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