論文第一作者Krasznahorkay（圖右）
標準模型，無疑是現代物理學的重要基石。根據這個模型，自然界存在四種基本相互作用——引力、電磁力、弱核力和強核力，這是很多讀者耳熟能詳的知識。最近，一支來自匈牙利的研究團隊提出，他們在粒子碰撞實驗中，找到了一種全新的粒子——X17。而且，這種神秘粒子產生的相互作用，無法通過已知的基本相互作用來解釋。也就是說，如果結論得到證實，這將是超出現有認識的第五種相互作用。這個驚人的結論，是諾獎級別的突破，還是意外產生的假數據？
撰文 | 張華
編輯 | 吳非
早在2015年，這些來自匈牙利核科學研究所和德布勒森大學的物理學家就首次提出了質量為17 MeV（兆電子伏特）的新粒子。
當時，為了尋找可能的暗物質候選粒子，研究團隊在實驗室中用高速質子束撞擊3號元素鋰原子。在碰撞過程中，一些鋰原子核吸收了質子，變成4號元素鈹。
被撞出來的鈹具有放射性，它很快發生衰變。經過足夠多的實驗數據採集，這些物理學家觀察到，衰變除了產生一個穩定的鈹原子，還生成了一個神秘的粒子X。這個粒子隨後分裂為一個電子和一個正電子。
實驗過程示意圖，來源：Krasznahorkay et al., 2015
而在測量這對正負電子間的分離角度時，研究人員發現了一個不同尋常的現象：分離角度在140°的正負電子異常豐富。這時，他們意識到，這個異常的背後，可能是一種隱藏了全新物理規律的未知粒子。
140°時，正負電子對的數量出現了一個峰值，來源：Krasznahorkay et al., 2015
這個能裂變成正負電子對的神秘粒子X，到底是什麼？物理學家首先想到了光子，但很快，這個選項就被排除了。
中科院理論物理研究所的楊金民研究員告訴《環球科學》：「這個X粒子的速度很慢，所以它不是光子。如果是光子的話，由於光子的速度很快，其分裂產生的正負電子的夾角也不可能達到140°。」
既然暫且無法歸類於已知粒子，匈牙利研究小組將這種X粒子命名為X17，因為它的靜止質量近似為17 MeV，這是一種質量為33倍電子質量的新粒子。
在這項研究被《物理評論快報》接收、發表之後，物理學家意識到，X17不僅是一種新粒子——如果它的存在得到證實，這種粒子更預示了超越標準模型的第五種相互作用。
為了解釋這個問題，我們需要首先了解X17的自旋。前面說到，X17的裂變產物是正電子與負電子，而電子與正電子的自旋都等於1/2。按照自旋角動量的合成原則，新粒子的自旋或者是0，或者是1。也就是說，X17應該是一種玻色子（量子自旋數為整數的粒子），而玻色子是可以傳遞相互作用的。
那麼，X17的自旋究竟是0還是1？如果X17的自旋等於0，那麼它應該是類似於希格斯粒子那樣的標量粒子；如果自旋等於1，那麼它應該是類似於光子的矢量粒子。
通過μ子的反常磁矩等實驗，物理學家論證了X17自旋為0的可能性很小。也就是說，X17的自旋狀態基本確定為1了。那麼，這種粒子又是如何傳遞相互作用的？
我們知道，根據目前的粒子物理學標準模型，存在四種基本的相互作用：引力、電磁力、弱核力（導致放射性衰變）和強核力（使原子核結合在一起）。
其中，傳遞電磁相互作用的光子已經在上文中被排除。而在其他三種相互作用中，傳遞引力的引力子的自旋等於2，首先被排除。傳遞弱相互作用的W與Z粒子，以及傳遞強相互作用的膠子自旋都為1，符合條件。但是，膠子與光子的情況相似：其靜質量為0，與X17的質量不符合；而W與Z粒子的質量遠遠大於17 MeV，同樣不滿足X17的條件。
2017年，加州大學歐文分校的華人物理學家Jonathan L. Feng等人，在一項發表於《物理評論D》的研究中，通過理論模型給出了全新的解釋。他們將X17解釋為暗光子（通常叫Z'）。Z'傳遞的相互作用類似電磁作用，但絕不是電磁作用，因此這是超出現有模型的第五種相互作用。在目前的模型中，這種暗光子也可以構建一個新的暗物質模型。
目前，存在第五種相互作用的可能性無法被排除。粒子物理的標準模型只能解釋物理學家已經觀察到的物質，但我們知道宇宙的大部分質量是「暗物質」，暗物質粒子到底是什麼，現在還不清楚。或許，暗物質粒子就與這個新發現的X17粒子存在聯繫。
但是，X17粒子的存在，卻沒有得到世界上其他物理學家的確認。雖然匈牙利團隊的論文已經發表，卻一直沒有別的團隊跟進。
最近，匈牙利研究團隊通過一項氦原子核的躍遷實驗，再次驗證了自己4年前的發現。這次，他們把鋰元素換成了氚。用質子束擊中氚靶後，氚吸收一個質子並轉變成氦。隨後，氦發生了衰變。在衰變過程中，形成能量為21 MeV的激發態，隨後轉變成一對正負電子。他們測量了正負電子對之間的夾角後，在115°處再次看到了電子-正電子對數量的峰值。這種現象，同樣可以通過一個靜止質量為17 MeV的未知粒子來解釋。
實驗在115°時再次出現峰值，來源：Krasznahorkay et al., 2019
這項研究尚未正式發表，但已經被研究團隊上傳至物理預印本文庫。這篇論文再次證明了自己此前的結論，相當於給自己做了一個對照實驗。
這個結論看上去令人興奮，但需要強調的是，目前事態還不明朗。或許，正如一些報導所言，這可能會是一個諾獎級別的發現。但在此之前，必須有其他獨立的研究團隊重現這個實驗結果，以確保沒有任何實驗特定的錯誤源產生假信號。費米實驗室的資深科學家Don Lincoln就提醒我們，在物理學的歷史上，有過很多令人激動的驚人結論，但當我們進一步審視這些研究，它們大多都宣告破滅。
所以，現在說X17一定存在還為時尚早，而「X17預示了第五種相互作用」，也僅僅是一個理論猜想。這些結論，都需要時間的檢驗。無論如何，物理學就是這樣緩慢前進的，真正的科學發現往往是孤獨的，也可能無人喝彩。也許，就像歷史上的一些先例，物理學的突破就在不經意間發生。
參考文獻：
Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Signature of a Light, Neutral Boson
Particle Physics Models for the 17 MeV Anomaly in Beryllium Nuclear Decays
New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle
《科學美國人》諾獎得主
經典文集
熱銷中
點擊圖片或閱讀原文
進入購買頁面