發現第五種基本力?

2020-11-24 騰訊網

非凡的主張需要非凡的證據。

卡爾·薩根

撰文 | Don

我們知道，自然界存在四種基本力：引力、電磁力、強核力和弱核力，它們在不同的尺度下各司其職，支配著宇宙萬物。然而，在一項新的研究中，來自匈牙利的物理學家認為他們可能找到了第五種基本力存在的證據。

在論文中，他們宣稱找到了一種質量為17兆電子伏（17MeV）的新粒子，這是一種質量大約是電子的33倍、質子的2%的粒子。這個新粒子被稱為X17。如果新粒子能夠得到證實，這對於解釋暗物質的奧秘、統一幾種基本力來說都具有重大意義。

物理學家是通過研究氦原子核的核躍遷作出了這一發現。在這個躍遷過程中，一束能量為21MeV的伽馬射線（光子）被釋放了出來。在如此高的能量下，光子可以轉換成一對電子和正電子，研究人員可以測得這兩個粒子的路徑之間的角度。標準的核理論對這兩個粒子之間的角度分布作出了清晰的預測。

然而在測量之後，研究人員卻意外地發現，有的粒子對的軌跡夾角為115 。而這種現象可以通過產生了一個質量為17MeV的未知粒子來解釋。

如果這一發現得到證實，那這無疑是一件非凡的成就。它意味著我們也許發現了一種新的粒子，也發現了一種新的基本力。

不是第一次

事實上，這並不是第一次該團隊宣稱找到第五種力的證據。在2015的時候，他們在研究鈹時，就發現了或許存在一種新的粒子。

在鈹的核躍遷過程中，研究小組密切關注了鈹-8的放射性衰變，這是一種不穩定的同位素。當鈹-8的粒子衰變時，他們觀測到了意想不到的光輻射：產生於這種不穩定的同位素的電子（e ）和正電子（e ）對精確地以140°的夾角彼此分離。根據能量守恆定律，這是不應該發生的。

鈹-8的實驗示意圖，圖中X為「疏質子的X玻色子」。（圖源：Flip Tanedo）

這一結果表明，在衰變中產生了一個未知的粒子。經過分析，他們發現這一現象可以通過產生了一個迄今為止尚未被發現的、質量為17MeV的粒子來解釋。因此，最近的測量結果可被視為是對之前一次測量結果的再次確認。

此外，在鈹躍遷中的異常現象被發現之後，加利福尼亞大學爾灣分校的一組物物理學家構建了一種理論，該理論不僅與之前的所有測量結果一致，還預測出了一個質量為17MeV的新粒子。

他們提出，這種未知粒子是一種玻色子。確切地說，是一種「疏質子的X玻色子」，可能對應著第五種基本力。在量子力學中，玻色子是一種攜帶能量的粒子，它們就像「膠水」一樣，能將物質粘合在一起，並控制著物理力之間的相互作用。新提出的這種玻色子有一個有趣的特性，那就是它只在短距離內與電子和中子相互作用，而電磁力通常作用在質子和電子上。

那麼，這是否已經意味著我們可以開香檳慶祝新的發現了呢？

不，在真正確認之前，還有許多工作要做。

頗具爭議

雖然網上已經有關於這一發現的消息，但這並非是一個被科學界普遍接受的結果。

從好的角度來看，在鈹躍遷中觀測到的可能產生了新粒子的結果已經經過了同行評審，並發表在了以專業嚴謹著稱的《物理評論快報》上。這意味著其他一些已經對第一次的測量結果進行了評估，認為這是一則值得被傳播的信息。此外，構建了能解釋這一發現的理論也被發表在了《物理評論快報》上，這也意味著該理論至少經受住了最初的一些批判性評議。

然而具有爭議的是，這兩項測量中——一項與氦有關，一項與鈹有關——都是由同一組實驗人員完成的。這不能算是真正獨立的確認。而且，其他一些研究小組在進行實驗之後並沒有探測到這種質量為17MeV的粒子。因此，我們並不能認為這個粒子已經真正被確認了。

此外，用來解釋這一新發現的理論框架也有令人謹慎之處。像前文所提到的那樣，在這個理論中，這種新的玻色子根本不與質子發生相互作用（即疏質子），而只與中子相互作用。雖然這並非是不可能的事，但這是一項非常具體的預測，沒有任何先例能與之相對比。

最後，在過去幾十年裡，那些曾宣稱發現了17MeV的粒子的一些科學家，還聲稱觀測到過一系列其他粒子，然而這些粒子卻無一得到其他團隊的證實。雖然我們並不能因為未能證實其他的發現就否定這一發現，但這一現狀的確值得我們持更加謹慎的態度。

（圖源：pixabay.com）

那麼，這到底意味著什麼？研究人員當然有可能偶然發現了一些其他研究小組沒有發現的東西。然而，目前的狀況的確需要我們以更加謹慎的態度來對待這一發現。因此，現在就將17MeV的粒子視為既成事實會過於草率。

科學家提出主張，其他人試圖證實或反駁——這在科學中是司空見慣的事，也是科學得以前進的必經之路。然而，隨著網際網路的普及，越來越多不是專業科學家的人們也可以觀摩甚至加入這場爭論。目前，最謹慎的做法是等待其他團隊來宣布結果以確認這一發現；或者進行再次測量，檢測它是否只是數據中的一個偶然事件。

參考資料

[1] https://www.forbes.com/sites/drdonlincoln/2019/11/23/has-a-new-discovery-broken-known-physics/

[2] https://arxiv.org/pdf/1910.10459.pdf

[3] https://www.particlebites.com/?p=3970

[4] https://arxiv.org/pdf/1608.03591.pdf

文章頭圖及封面圖片來源：pixabay.com

本文經授權轉載自「原理」

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