物理學(xué)重大發(fā)現(xiàn)：自然界的第五種基本相互作用

　　匈牙利核物理研究所的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了放射性衰變中的一個(gè)異?，F(xiàn)象，這或許意味著自然界在四大基本作用力之外還存在第五種基本相互作用。

　　2015年，匈牙利物理學(xué)家在正負(fù)電子譜儀中發(fā)現(xiàn)了一種異常的放射性衰變，他們認(rèn)為這代表著一種新的粒子，但近日，一組美國(guó)理論物理學(xué)家認(rèn)為這或許代表著自然界的第五種相互作用。

　　由Attila Krasznahorkay領(lǐng)導(dǎo)的匈牙利科學(xué)院核物理研究所團(tuán)隊(duì)于2015年在論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上公布了這一發(fā)現(xiàn)，并于今年1月在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了論文。但這篇論文——號(hào)稱發(fā)現(xiàn)了一種種只比電子重34倍的玻色子，并沒有得到學(xué)界的關(guān)注。

　　然而，一個(gè)月之前(4月25日)，一組美國(guó)理論物理學(xué)家在arXiv上發(fā)布了一篇新的論文，對(duì)匈牙利團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了再分析，發(fā)現(xiàn)他們的結(jié)果并不與任何已知實(shí)驗(yàn)相沖突，并進(jìn)一步推斷他們發(fā)現(xiàn)的可能是第五種基本相互作用。加州大學(xué)歐文分校的物理學(xué)家馮孝仁說：“我們把原本艱澀難懂的數(shù)據(jù)梳理得更加清晰了。”他是這篇arXiv論文的第一作者。

　　4天后，馮孝仁團(tuán)隊(duì)的兩位成員在于美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室舉行的研討會(huì)上報(bào)告并討論了這一發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)參會(huì)的研究者之一，托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的Bogdan Wojtsekhowski透露，當(dāng)時(shí)其他研究者雖然抱有懷疑，但都對(duì)這個(gè)想法感到激動(dòng)不已。“很多參會(huì)者都正在考慮如何通過獨(dú)立的方法來檢驗(yàn)這一結(jié)果。”他說。來自歐洲和美國(guó)的團(tuán)隊(duì)都表示能在一年左右的時(shí)間內(nèi)確認(rèn)或證偽匈牙利團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　尋找新的作用力

　　物理學(xué)理論中有四大基本相互作用：引力、電磁力、強(qiáng)相互作用和弱相互作用，但也有很多研究者提出第五種相互作用，只是都沒有有力的證據(jù)。過去10年以來， 由于粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋暗物質(zhì)(一種占了宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的80%以上，卻不可見、難以捉摸的物質(zhì))的存在，對(duì)新的基本作用的搜尋更是逐漸升溫。理論物理學(xué)家提出了多種多樣的奇特物質(zhì)粒子和攜帶作用力的粒子，其中就包括“暗光子”。普通光子是傳遞電磁相互作用的載體，而根據(jù)他們的理論，暗光子就是這種新的相互作用的載體。

　　匈牙利團(tuán)隊(duì)的Krasznahorkay說他們就在尋找這樣的暗光子，而馮孝仁認(rèn)為匈牙利團(tuán)隊(duì)找到的是別的東西。后者的實(shí)驗(yàn)是將質(zhì)子打到薄薄的鋰-7靶上，這會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的鈹-8核，放出正負(fù)電子對(duì)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，放出的正負(fù)電子對(duì)彼此之間的軌道夾角越大，其數(shù)量就越少，但該團(tuán)隊(duì)卻發(fā)現(xiàn)，正負(fù)電子對(duì)數(shù)量在140°的角度處出現(xiàn)了一個(gè)不尋常的“凸起”，在此之后才隨著角度增大而減小。

　　“我們對(duì)這一發(fā)現(xiàn)很有自信。”

　　Krasznahorkay認(rèn)為，這個(gè)“凸起”有力地表明鈹-8在此處分裂出了一種新的粒子，新粒子再衰變成一個(gè)正負(fù)電子對(duì)。他們通過計(jì)算表明這個(gè)新粒子的質(zhì)量約為17 MeV(兆電子伏特)。

　　“我們對(duì)這一發(fā)現(xiàn)很有自信。”Krasznahorkay說。他們?cè)谶^去的三年里已經(jīng)重復(fù)了好幾次實(shí)驗(yàn)，消除了所有能夠想到的誤差來源。如果他們所說的都是真的，那么這一“異常”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只是純粹偶然出現(xiàn)的概率只有2000億分之一。

　　馮孝仁則認(rèn)為，這個(gè)17 MeV的例子不是所謂的“暗光子”。在分析了“異常凸起”，并與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)以后，他們認(rèn)為這個(gè)粒子可能是一種“疏質(zhì)子X玻色子”(protophobic X boson)。這類粒子傳遞了一種極短程的相互作用，其作用距離只有原子核直徑的幾倍。此外，暗光子可以與電子和質(zhì)子耦合，而這種新玻色子耦合的是電子和中子。馮孝仁的團(tuán)隊(duì)還在分析是否有其他粒子能解釋這種異常現(xiàn)象，但疏質(zhì)子X玻色子仍然是能最為簡(jiǎn)單地解釋該現(xiàn)象的一種可能理論。

　　非常規(guī)的耦合

　　麻省理工學(xué)院(MIT)的理論物理學(xué)家Jesse Thaler對(duì)此抱有懷疑。他說：“馮孝仁團(tuán)隊(duì)提出的耦合太不尋常了，如果要我來對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行補(bǔ)充以解釋這一現(xiàn)象，我首先提出的肯定不會(huì)是這樣的觀點(diǎn)。”不過，他仍在關(guān)注這一提議：“或許這能成為我們對(duì)可見宇宙之外的物理學(xué)世界的最初一瞥。”

　　研究者很快就能驗(yàn)證這一17 MeV的新粒子是否確鑿存在了。上文提到的杰斐遜加速器實(shí)驗(yàn)室就在進(jìn)行一個(gè)叫做“暗光”(DarkLight)的實(shí)驗(yàn)，通過向氫氣靶上轟擊電子來尋找質(zhì)量在10到100 MeV間的暗光子。該項(xiàng)目的發(fā)言人，MIT的Richard Milner表示，他們會(huì)優(yōu)先以17 MeV的區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，在一年左右的時(shí)間內(nèi)就能找到匈牙利團(tuán)隊(duì)所說的的粒子，或至少對(duì)它與普通物質(zhì)的耦合設(shè)立嚴(yán)格的界限。

　　歐洲核子中心(CERN)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)中原本用來研究夸克-反夸克衰變的LHCb實(shí)驗(yàn)也會(huì)尋找該玻色子，除此之外歐洲還有兩個(gè)另外的實(shí)驗(yàn)也會(huì)向固定靶轟擊正電子：一個(gè)位于羅馬附近的弗拉斯卡蒂國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(預(yù)計(jì)2018年啟動(dòng))，另外一個(gè)位于俄羅斯西伯利亞的布德克爾核物理研究所。

　　紐約州立大學(xué)石溪分校的理論物理學(xué)家，同時(shí)也是SLAC研討會(huì)組織者之一的Rouven Essig認(rèn)為，這種新玻色子“出人意料的性質(zhì)”會(huì)讓物理學(xué)家很難確認(rèn)它的存在，但他很歡迎大家來檢驗(yàn)它。“不做另外的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這個(gè)結(jié)果就是瘋了，”他說，“畢竟大自然曾給我們帶來過這樣那樣的驚喜!”