第五種基本力被發現了嗎?

（王劈柴/編譯）來自匈牙利的科學家在實驗中觀測到了放射性衰變中的一個異常現象，這或許意味著一種前所未知的自然界第五大基本力的存在——如果這項發現是正確的話。

【高能物理預警】下文有大量玻色子出沒，記不住粒子名字的可以先看太長不看版Q&A

Q：是大新聞嗎？
A：如果他們沒搞錯，那就是大新聞，頂級的大新聞。其他物理學家正在驗證他們有沒有搞錯。

Q：到底有多大？
A：就像第一個希臘人發現原來世界不光是由地水火風組成的。

Q：（小聲）那應該是啥
A：世界由很多基本粒子組成，但粒子間還有相互作用力。過去我們以為一共只有四種力。引力讓地球不散架，電磁力讓人不散架，強力讓原子核不散架，弱力做一些別的奇怪的事情。現在，我們可能找到了第五種作用力。
目前物理學界公認的四大基本力。圖片來源：phdcomics

Q：那科學家是不是嚇尿了？現代物理學是不是全錯了？
A：其實並沒有，因為我們已經知道物理學是不完整的。比如宇宙裡有個東西叫做暗物質，它佔了宇宙的80%質量。看起來它有可能就受到了一種額外的未知的力（但也可能沒有）。所以過去這幾年其實研究者一直在找有沒有第五種力。

Q：而現在找到了？
A：也許吧。物理學家是觀察到了奇怪的現象，針對它的驗證也將在一年內完成，但是這個現象就算是真的，也不一定是因為第五種力。

Q：你們物理學家咋這麼磨嘰啊，就不能一次給個準信兒？
A：那得怪自然界的秘密藏太深，報導上出了偏差可負不起責任。

匈牙利國家科學院核子研究所的阿提拉•卡撒茲納霍凱（Attila Krasznahorkay）和其同事首先於2015年將他們的驚人結果發表在了arXiv論文預印本網站上，又於今年一月正式發表在了《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。

接下來，一組美國理論物理學家於4月25日在arXiv上發表了自己對這一結果的分析，使這項發現得到了更廣泛的關注。他們證明，這些數據與之前的實驗都不衝突，並得出結論稱這有可能是第五基本作用力存在的證據。「我們讓它變得相對不那麼隱晦了，」這份arXiv報告的第一作者、加州大學歐文分校的馮孝仁這樣說。

四天之後，馮的兩位同事在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（Bogdan Wojtsekhowski）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。

尋找新的基本力

引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力是物理學家已知的四種基本力，但研究者也曾提出過許多目前尚未證實的、關於第五種力的推斷。在過去的十年間，由於粒子物理標準模型難以解釋暗物質——一種被認為佔宇宙質量80%以上的不可見物質，對新基本力的研究陡然增多。理論學家提出了各種異常物質（exotic-matter）粒子和載力子（force-carrier），包括 「暗光子」——這是在類比能傳遞電磁力的正常光子。

卡撒茲納霍凱稱，他的團隊當時在尋找的就是這種「暗光子」——但馮的團隊認為他們找到的是另一種東西。匈牙利團隊用質子轟擊鋰-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」——當角度繼續增大，正負電子對的數量又重新降低。

在140度左右，釋放出的正負電子對數量增加了。圖片來源：arxiv.org/abs/1504.01527v1

卡撒茲納霍說，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。他和同事計算得出，這種粒子的質量大約是17兆電子伏（MeV）。

「我們對我們的實驗結果非常有信心，」卡撒茲納霍說。他說，研究團隊在過去的三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。研究團隊說，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。

馮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」（protophobic X boson）。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。暗光子（和常規光子一樣）與電子和質子耦合，而這種新的玻色子則會與電子和中子耦合。馮說，他的團隊目前正在研究其他可以解釋這項異常的粒子，但是疏質子玻色子是「最直接的可能性」。

非常規耦合

來自麻省理工學院（MIT）的理論物理學家耶西•泰利爾（Jesse Thaleer）稱，馮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。但是他補充說他「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。

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」（DarkLight）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。MIT的合作發言人理察•米爾納（Richard Milner）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。

匈牙利國家科學院核子研究所的物理學家使用了正負電子譜儀。圖片來源：MTA-Atomki

其他將要搜尋該玻色子的還包括歐洲核子研究中心（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；另一項將在俄羅斯新西伯利亞西伯利亞城的布德克爾核物理研究所進行。

紐約石溪大學的理論物理學家、同時也是SLAC工作交流會組織者之一的魯文•艾西格（Rouven Essig）認為，這種玻色子「有些意想不到」的特性使得理論很難被證實。但是他歡迎各項測試。「不做其他實驗來檢驗這個結果那是發瘋，」他說。「自然界以前就給過我們驚喜！」（編輯：Ent）