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還記得物理書上經典的「四種基本力」嗎?有人聲稱,他發現了第五種

還記得物理書上經典的「四種基本力」嗎?有人聲稱,他發現了第五種



可能已經發現的第五種基本作用力對物理學會產生什麼影響?

哈哈哈,高能物理臨時工


更新:補充了一小段,解釋為什麼這麼輕的粒子以前沒發現。


如果實驗是正確的話,那這事意義重大(然而我也是在實驗結果出來一年後的現在才聽說……),因為實驗結果意味著發現了超出標準模型的新粒子以及新的相互作用,這是自打標準模型建立幾十年以來從未有過的大事。至於新粒子是不是所謂暗光子、能不能跟各種暗物質模型結合起來,那都是可以慢慢考慮的事。比如 Jonathan Feng 這次(arXiv:1604.07411)就是分析了一下然後說應該不是暗光子,但可能是一種不怎麼與質子耦合的粒子。


簡單看一下這實驗(arXiv:1504.01527)幹了什麼事情。實驗者用確定能量的質子轟擊

原子核,產生激發態的


原子核,然後激發態的原子核會迅速回到基態。在


原子核回到基態的過程中,大多數情況下是放出一個 gamma 光子,但也有很小的概率會產生一對正負電子。實驗測量這些正負電子的角度關聯性,也就是說看每次放出的正負電子的運動方向夾角有多大。


如果沒有超出標準模型的粒子和相互作用,那正負電子夾角大的事例少,夾角小的事例多,事例數和夾角之間是個單調遞減函數的關係。但是實驗測量結果發現在大角度的地方事例數有個反常的凸起,凸起最大的地方與模擬給出的預期有 6.8 個 sigma 的差別。


這一結果意味著激發態的原子核可能先衰變成了一個約 17 MeV 的未知粒子,這個粒子再進一步衰變成正負電子。為什麼可以這麼解釋呢?因為這個未知粒子的質量接近於原子核躍遷放出的能量,所以衰變出來幾乎是靜止的;一個靜止粒子變成一對正負電子,那麼正負電子的運動方向必然是反向的,這就正好對應了多出來的正負電子大夾角事例。

看到這粒子質量只有 17 MeV,大家的第一感肯定是「這粒子怎麼可能以前沒被發現?」。原因很簡單,這粒子與普通粒子的耦合太小,以往的實驗里它的效應淹沒在背景里了。比如按照 Jonathan Feng 的分析,在拉氏量里這個未知粒子與電子的耦合強度只有光子與電子耦合強度的萬分之一量級,對應到反應截面或者衰變寬度上的話,則這個差距更大,未知粒子的相關截面可能是常見反應截面的萬分之一的平方、四次方甚至更高次方的量級。這次這個實驗能量正好在 17 MeV 附近,有利於觀測到共振峰,而且他們的數據量應該足夠大,系統誤差足夠小,所以才能發現這個粒子。其實實驗文章開頭也說了,以前其他實驗(比如有個 2001 年的實驗)也觀測到過同樣的凸起,但那個實驗誤差比這個實驗大,所以不能說「發現」了什麼。


不過需要提一下,Jonathan Feng 用一種不自然的耦合強度來解釋這個實驗,說未知粒子與質子幾乎不耦合,而與中子有明顯耦合(其實就是調整粒子與 u、d 夸克的耦合係數)。以前見到用這麼彆扭的方法做事,是別人解釋有些暗物質直接探測實驗看到信號而靈敏度更高的實驗卻沒看到。一般來說大家是不太願意相信世上有這麼不自然的事情的。


所謂第五種力,其實是在說這 17 MeV 的粒子可能是某種新的規範相互作用的規範玻色子(最直接的,就是一種新的 U(1) 規範相互作用,可稱之為暗光子)。如果真是這樣,那就意味著還有一堆粒子等著被發現,因為規範玻色子有質量就說明規範對稱性自發破缺了,於是得有其他粒子來完成這個破缺。


很多暗物質模型會假設暗物質之間存在新的規範相互作用(暗光子這種是最常見的),以此解釋宇宙線觀測中發現的某些反常現象。模型往往會假設暗光子與普通光子間有微小的混合,使得暗光子可以衰變到普通物質粒子(比如正負電子)。但 Jonathan Feng 這次既然聲稱已經排除了暗光子的可能,那這事的有意思程度就稍微下降了一點。


當然,實驗這種事情很容易出錯,古有 17 keV 中微子,近有超光速中微子與原初引力波的 B-mode。各種可能性會導致錯誤的實驗結論,包括但不限於:實驗硬體上的故障、設置錯誤的 trigger、數據分析中錯誤的事例挑選與誤差估計。所以一切有待於其他實驗的驗證。當然大家肯定希望它是正確的了,因為這樣高能物理界又有活幹了。

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