本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
4種自然力
眾所周知,我們的宇宙由四種基本的力量支配,它們分別是引力、電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。這是物理學家長期以來的想法,因為用這四種自然力已經能夠解釋幾乎所有的自然現象了,除了一些極端條件下的現象還無法解釋,如黑洞中的物質存在形式,以及暗物質等。然而現在,新的研究表明,還有第五種力存在,這一發現可能會顛覆現代物理學的大部分理論。
今年的10月23日,匈牙利核研究所(Institute of Nuclear Research)的研究人員發表了一項針對arXiv資料庫的新研究,為三年前首次提出的一種全新粒子提供了進一步的證據。這種被稱為X17的粒子可能會幫助科學家解決天文學中最大的謎團之一:暗物質是什麼。不僅如此,有科學家認為神秘的「X17粒子」可能攜帶這種新發現的第五種自然力,但大多數科學家對此持懷疑態度!
我們知道要描述一種粒子的存在需要重寫粒子物理學的標準模型,即描述基本力並將亞原子粒子分類的理論。但前提是粒子的存在能夠得到證實。新論文還沒有得到同行的一致認可,因此大多數物理學家都持懷疑態度,部分原因是沒有外部科學家能夠獨立地驗證來自同一研究團隊的早期發現。
X17粒子的發現
2016年,同一組研究人員在放射性鈹原子實驗中報告發現了粒子的第一個證據。在研究中,物理學家測量了鈹在分解過程中釋放的光和粒子。他們注意到發射出的電子對和它們的反物質夥伴,正電子,可以以一定的角度加速,這種行為在現有的物理學中似乎是無法解釋的。
通過分析這些數據,物理學家們得出結論:在鈹衰變成電子和正電子對之前,一定存在某種未知的中間粒子。這個未知的「X粒子」的質量通過計算發現它的能量接近17兆電子伏特,因此它的名字是X17。相比之下,X17的體積大約是電子的34倍。
被質疑
這項新的研究中增加了更多關於科學家提出的粒子觀察,比如氦原子的衰變。並且科學家通過使用一個類似的實驗裝置再次證明了中間粒子實際上具有相同的質量。研究結果表明,這個提出的X17粒子不是費米子,而是玻色子,一種攜帶能量、有時攜帶力的粒子。這意味著X17可能會傳遞一種之前未知的第五力,物理學家們說這可能有助於解釋暗物質。這種神秘的物質佔宇宙物質的85%,它可以通過重力探測到,但不與光相互作用。但大多數物理學家都在等待確鑿的測量結果,然後才會接受這些發現。相信大部分人在看到答案之前都會持懷疑態度,畢竟這是一次非常重要的歷史改寫!
還有一點被懷疑的部分原因是歐洲核子研究中心在試圖尋找X17粒子的過程中遺憾失敗,未能找到任何證據。當然,如果這一發現得到證實,那麼它將為研究粒子物理學開闢一條全新的道路。在過去的半個世紀裡,物理學家們在定義標準模型方面取得了巨大的進步,他們把重點放在了高能領域,這需要巨大的國際合作和昂貴的加速器來以令人難以置信的速度將粒子擊碎在一起。而這項新的研究液位科學家提供了一個新的研究方向,未來的實驗可以在更低的能量和成本下完成,這也是物理學家尋找新粒子的一個全新方向。