在物理學的理論中，存在著四大基本相互作用，分別是引力、電磁力、強相互作用以及弱相互作用。這些都是自然界中「力」的存在形式。長久以來，物理學界認為，自然界中的基本力絕不止上述四種，肯定存在著第五種以及更多的基本力。而圍繞此假設開展的實驗為數不少。
匈牙利國家科學院核子研究所的阿提拉·卡撒茲納霍凱和其同事首先於2015年將他們的研究結果發表在arXiv論文預印本網站上，又於今年1月正式發表在了《物理評論快報》上。這篇論文認為存在一種新的輕玻色子，只比電子重34倍。但這一報告沒有引起大規模關注。
然而在近期，以加州大學歐文分校物理及天文學教授馮孝仁為首的一組美國物理學家在論文預印本網站arXiv上發表了一篇分析文章，並且得出結論，認為該實驗有可能是第五基本作用力存在的證據。
1.神秘的第五種基本力
目前物理學界公認的四種基本的相互作用力中，在宏觀世界裡，能顯示其作用的只有兩種：引力和電磁力；在微觀的粒子物理的量子化中，經過有效的科研試驗與自然界粒子探索，人們已經發現了電磁力和強、弱相互作用力。
引力是所有物體之間都存在的一種相互作用。由於引力常量很小，因此對於通常大小的物體，它們之間的引力非常微弱，在一般的物體之間存在的萬有引力常被忽略不計。但是，對於一個具有極大質量的天體，引力成為決定天體之間以及天體與物體之間的主要作用。
電磁力是電荷、電流在電磁場中所受力的總稱。引力、電磁力能在宏觀世界裡顯示其作用。這兩種力是長程力，從理論上說，他們的作用範圍是無限的，但是引力與電磁力相比要弱得多。宏觀物體之間的相互作用，除引力外，所有接觸力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現。
弱相互作用和強相互作用是短程力，短程力的相互作用範圍在原子核尺度內。這兩種力只有在原子核內部核基本粒子的相互作用中，才顯示出來，在宏觀世界裡不能察覺他們的存在。
但是無論是在宏觀世界呈現的電磁力與引力，還是微觀世界中的強、弱相互作用力，都是我們目前能夠觀測到的物質世界，他們也能夠在物理學的標準模型中得到實驗證實。
然而，在宇宙中，佔據了其質量約為27%的暗物質，卻始終沒有被人類清晰地認知。而且，粒子物理的標準模型也難以解釋宇宙中的暗物質。所以，人類對宇宙的認知非常少，同樣，這已經被公認的四種基本作用力，也不是自然界中所有力的總和，因此，物理學家們相信肯定有其他的基本力存在。其中，暗物質的神秘無疑為發現這項新的基本作用力構成了巨大的障礙。
「第五種相互作用還沒有定論，我們不知道它是什麼東西。任何一種新的相互作用都有可能是第五種相互作用。」清華大學粒子物理學博士莫方（化名）說。
理論學家提出了各種異常物質粒子和載力子的假說來尋找新的基本力。比如，在引力學說中，任何物體，不管是一個鐵球還是一根羽毛，如果在自由下落，其加速度必然是一樣的，這是伽利略的比薩斜塔實驗的結果。可是，這個理論受到了嚴峻的挑戰：一個以美國物理學家費希巴赫為首的科研小組，通過實驗發現，不同質量的物體，在真空中實際上並不具有相同的重力加速度。費希巴赫推測，其原因可能是在物體下落時除了受到引力的作用以外，還受到一種尚不為人知的力的作用，他稱之為宇宙中的第五種力——旋轉力，但是最終也沒有進一步的實驗來證明。其他各種追尋第五種力的實驗也在相繼開展，但仍然沒能揭開第五種力的「廬山真面目」。
2.暗光子揭示新的基本力？
據了解，目前比較受推崇的，是以「暗光子」的理論假說來開展的尋找第五種基本力的實驗。卡撒茲納霍凱稱，他的團隊當時就是在嘗試尋找這種「暗光子」。
按照卡撒茲納霍凱的表述，他們的實驗結果是在尋找「暗光子」的過程中偶然所得。「暗光子的理論是在2008年前後提出來的，用來解釋暗物質相關的一些現象。它是一種新的相互作用裡存在的粒子，但是目前沒有被發現。」莫方說。
先來看一下光子的概念：光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規範玻色子。光子是電磁輻射的載體，在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。光子靜止時其質量為零。光子以光速運動，並具有速度、能量、動量、質量。
以此類比，物理學家認為「暗光子」同樣具有光子的特性。並且，物理學家們將尋找暗光子也作為發現暗物質的重要手段。2015年初，研究人員找到了一條近年來最有價值的線索，並且伴隨著新的基本作用力的線索，他們發現一些新的作用力似乎能讓暗物質「開口說話」。這是在觀察宇宙角落裡一個名為Abell 3827的星團時發現的。
此後，天文學家利用「引力透鏡效應」（指光經過大質量物體時會發生彎折的現象）鎖定了暗物質在該星系團內4個相互碰撞的星系間的位置。哈勃空間望遠鏡和智利的甚大望遠鏡發現，至少圍繞在一個星系周圍的暗物質，明顯落在了普通物質的後面，這意味著一個從未被觀測到的現象：暗物質中的粒子正發生相互作用，並因此拖慢了自己的腳步。
由英國杜倫大學理察·馬西領導的研究小組推測，因為這一相互作用並未影響到普通物質，所以這種作用肯定是由引力之外的某種只影響暗物質的力主導的，比如一種由交換「暗光子」而形成的力。這類似於普通質子依靠電磁力進行相互作用的情形，即當兩個質子相互靠近時，每個質子都將釋放一個光子，並吸收對方的光子。動量由此交換，質子彼此分離。
根據莫方介紹，粒子物理學的目的是用一個理論來解釋所有的現象。既然標準模型不能解釋暗物質，就說明有未知的相互作用力。理論物理學家一直在努力構造新的理論來嘗試解釋暗物質，這些新理論中會包含新粒子，並且預言了它們的性質。實驗物理學家就通過做實驗來驗證或者否決這些理論。
3.實驗中的「凸起」或是新粒子造成
在實驗中，匈牙利的團隊用質子轟擊鋰-7薄靶，製造出不穩定的鈹-8核，鈹-8核會發生衰變，並釋放成對的電子和正電子。根據標準模型，隨著電子和正電子軌跡之間的角度（雖然電子和正電子都非常微小，但是實驗上仍然可以重建出它們的運動軌跡，運動軌跡的夾角形成角度）增加，物理學家觀測到的正負電子對的數量應該降低。但研究團隊報導稱，在二者運動軌跡的夾角成大約140°角時，這樣的正負電子對數量突增——在正負電子對隨角度變化的曲線上製造了一個「凸起」。而當角度繼續增大，正負電子對的數量又重新降低。
正是這個「凸起」，使上述實驗具有了不平凡的意義。
卡撒茲納霍凱說，這個「凸起」有力地證明，不穩定的鈹-8核中，有一小部分以一種新粒子的形式釋放了多餘的能量，這種新粒子進一步衰變成了正負電子對。也就是這些新粒子進一步衰變出來的電子對造成了這個「凸起」。
而且，他和同事計算得出，這種粒子的質量大約是17兆電子伏（MeV）。這也引起了非常大的爭議。眾所周知，類似的實驗中，一丁點的誤差就很可能造成實驗結果的差之千裡。因此，是否是試驗中的誤差導致的這個「凸起」，而不是研究團隊所宣稱的新的粒子呢？
「我們對實驗結果非常有信心。」卡撒茲納霍凱說，研究團隊在過去的3年中將測試重複了許多遍，並且排除了所有可以想像的誤差，「如果真的排除了誤差，那麼觀測到如此極端的現象，但卻沒有異常的現象發生的概率是兩千億分之一。」
這個實驗的初衷是用來尋找「暗光子」，而「暗光子」也是一種新的粒子，且沒有被發現。但是馮孝仁和他的同事則認為這個17MeV的粒子不是暗光子。
在對異常現象進行分析，並尋找了與前人的實驗結果相一致的特徵之後，馮孝仁的團隊得出結論，認為這種粒子可能是一種「疏質子X玻色子」。這種粒子傳遞的可能是一種只在原子核寬度數倍以內的距離中起作用的極短程力。如果這種粒子真的存在，而且就像馮孝仁所描述的一樣，那麼這個極短程力便可能是這次試驗中所發現的「第五種基本力」。
馮孝仁提出，這種新的粒子不是與電子和質子耦合，而是會與電子和中子耦合。
「更確切的翻譯應該是『某種疏遠質子的玻色子』，文章中提到這種粒子更喜歡跟中子反應，它會更疏遠質子，所以稱為疏質子X玻色子。玻色子是某一大類粒子的統稱，一般來說傳遞相互作用的粒子都是玻色子。」莫方說。
馮孝仁的團隊目前正在研究其他可以解釋這項異常的粒子，但是疏質子X玻色子是「最直接的可能性」。如果得以證實，那麼「第五種基本力」也將被證實。
4.實驗結果或將在一年內被證實
報導稱，馮孝仁的兩位同事在SLAC國家加速實驗室的交流會上討論了這項發現。來自託馬斯·傑斐遜國家加速器實驗裝置的物理學家博格丹·沃切豪斯基說，會上的研究者對此發現持懷疑態度，但是依然感到很興奮。「交流會的許多與會者正在構思不同的方法來檢驗這個發現。」他說。歐洲和美國的團隊表示，他們應該能在大約一年以內證實或證偽匈牙利的實驗結果。
來自美國麻省理工學院的理論物理學家耶西·泰利爾稱，馮孝仁的團隊提出的非常規耦合讓他懷疑新粒子是否存在。「如果我能隨心所欲地修改標準模型，這肯定不是我會寫下的第一件事，」他說。但是他 「正關注著」這種說法。「也許這是我們對超越可見宇宙的物理學的第一瞥。」他說。而研究者應該很快就能發現17MeV的粒子是否真的存在。
傑斐遜實驗室設計的「暗光」（Dark Light）實驗通過向氫氣靶轟擊電子，尋找質量在10-100MeV之間的暗光子。麻省理工的合作發言人理察·米爾納稱，現在，實驗會將17MeV範圍設定為首要目標，在約一年以內，暗光子實驗要麼可以發現這種粒子，要麼能對它與普通物質的耦合設定嚴格的限制。
其他將要搜尋疏質子X玻色子的還包括日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN），他們的LHCb實驗將會研究夸克—反夸克衰變；此外還有兩項正電子轟擊固定靶標的實驗——一項將在羅馬附近的義大利核物理研究院（INFN）弗拉斯卡蒂國家實驗室進行，預定2018年啟動；另一項將在俄羅斯的布德克爾核物理研究所進行。（記者 王騰騰）
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