自然界第五種基本相互作用能否成為驚喜

　　麥克斯韋總結了前人一系列發現和實驗成果，于1875年提出了描寫電磁作用的基本運動方程式，后來稱為麥克斯韋方程。這是第一個完整的電磁理論體系，它把兩類作用——電與磁——統一起來了，定量地描述了它們之間的相互影響相互轉變的規律。

　　匈牙利物理學家在正負電子譜儀中發現了一種異常的放射性衰變，他們認為這代表著一種新的粒子。但在一組美國理論物理學家看來，認為這或許代表著自然界的第五種相互作用。

　　最近物理學家們為搞清這件事忙活了起來。

　　由阿提拉·卡撒茲納霍凱（Attila Krasznahorkay）領導的匈牙利科學院核物理研究所團隊于2015年在論文預印本網站arXiv上公布了這一發現，并于今年1月在《物理評論快報》（PRL）上發表了論文。但這篇號稱發現了一種只比電子重34倍的玻色子的論文，并沒有得到學界的關注。

　　然而，4月25日，一組美國理論物理學家在arXiv上發布了一篇新的論文，對匈牙利團隊的數據進行了再分析，發現他們的結果并不與任何已知實驗相沖突，并進一步推斷他們發現的可能是第五種基本相互作用。加州大學歐文分校的物理學家馮孝仁（Jonathan Feng）說：“我們把原本艱澀難懂的數據梳理得更加清晰了。”他是這篇arXiv論文的第一作者。

　　4天后，馮孝仁團隊的兩位成員在于美國SLAC國家加速器實驗室舉行的研討會上報告并討論了這一發現。當時參會的研究者之一，托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室的博格丹·沃切豪斯基（Bogdan Wojtsekhowski）透露，當時其他研究者雖然抱有懷疑，但都對這個想法感到激動不已。

　　“很多參會者都正在考慮如何通過獨立的方法來檢驗這一結果。”他說。來自歐洲和美國的團隊都表示能在一年左右的時間內確認或證偽匈牙利團隊的實驗結果。

　　尋找新的作用力

　　物理學理論中有四大基本相互作用：引力、電磁力、強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。過去10年以來，由于粒子物理的標準模型無法解釋暗物質（一種占了宇宙物質總質量的80%以上，卻不可見、難以捉摸的物質）的存在，對第五種基本作用的搜尋更是逐漸升溫。

　　理論物理學家提出了多種多樣的奇特物質粒子和攜帶作用力的粒子，其中就包括“暗光子”（dark photon）。普通光子是傳遞電磁相互作用的載體，而根據他們的理論，暗光子就是這種新的相互作用的載體。

　　匈牙利團隊的卡撒茲納霍凱說他們就在尋找這樣的暗光子，而馮孝仁認為匈牙利團隊找到的是別的東西。后者的實驗是將質子打到薄薄的鋰-7靶上，這會產生不穩定的鈹-8核，放出正負電子對。根據標準模型，放出的正負電子對彼此之間的軌道夾角越大，其數量就越少，但該團隊卻發現，正負電子對數量在140°的角度處出現了一個不尋常的“凸起”，在此之后才隨著角度增大而減小。

　　到底是什么粒子

　　“我們對這一發現很有自信。”

　　卡撒茲納霍凱認為，這個“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正負電子對。他們通過計算表明這個新粒子的質量約為17 MeV（兆電子伏特）。

　　“我們對這一發現很有自信。” 卡撒茲納霍凱說。他們在過去的三年里已經重復了好幾次實驗，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”的實驗結果只是純粹偶然出現的概率只有2000億分之一。

　　馮孝仁則認為，這個17 MeV的粒子不是所謂的“暗光子”。在分析了“異常凸起”，并與之前的實驗結果相比對以后，他們認為這個粒子可能是一種“疏質子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子耦合，而這種新玻色子耦合的是電子和中子。馮孝仁的團隊還在分析是否有其他粒子能解釋這種異常現象，但疏質子X玻色子仍然是能最為簡單地解釋該現象的一種可能理論。

　　非常規的耦合

　　麻省理工學院（MIT）的理論物理學家杰西·泰勒（Jesse Thaler）對此抱有懷疑。他說：“馮孝仁團隊提出的耦合太不尋常了，如果要我來對標準模型進行補充以解釋這一現象，我首先提出的肯定不會是這樣的觀點。”不過，他仍在關注這一提議：“或許這能成為我們對可見宇宙之外的物理學世界的最初一瞥。”

　　研究者很快就能驗證這一17 MeV的新粒子是否確鑿存在了。上文提到的杰斐遜加速器實驗室就在進行一個叫做“暗光”（DarkLight）的實驗，通過向氫氣靶上轟擊電子來尋找質量在10到100 MeV間的暗光子。該項目的發言人，麻省理工學院的理查德·米勒（Richard Milner）表示，他們會優先以17 MeV的區域為目標，在一年左右的時間內就能找到匈牙利團隊所說的的粒子，或至少對它與普通物質的耦合設立嚴格的界限。

　　歐洲核子中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）中原本用來研究夸克-反夸克衰變的LHCb實驗也會尋找該玻色子，除此之外歐洲還有兩個另外的實驗也會向固定靶轟擊正電子：一個位于羅馬附近的弗拉斯卡蒂國家實驗室（預計2018年啟動），另外一個位于俄羅斯西伯利亞的布德克爾核物理研究所。

　　紐約州立大學石溪分校的理論物理學家，同時也是SLAC研討會組織者之一的羅文·艾斯格（Rouven Essig）認為，這種新玻色子“出人意料的性質”會讓物理學家很難確認它的存在，但他很歡迎大家來檢驗它。“不做另外的實驗來檢驗這個結果就是瘋了，”他說，“畢竟大自然曾給我們帶來過這樣那樣的驚喜！”

　　稿件來源：環球科學 （科學美國人中文版）

　　撰文：埃德溫·卡特利奇（Edwin Cartlidge）

　　翻譯：丁家琦

　　查漏補缺

　　中學物理學過的四種基本相互作用， 你還記得嗎？

　　目前物理學界公認，世界存在四種基本的相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用。

　　在宏觀世界里，能顯示其作用的只有兩種：引力和電磁力。

　　引力是所有物體之間都存在的一種相互作用。由于引力常量G很小，因此對于通常大小的物體，它們之間的引力非常微弱，在一般的物體之間存在的萬有引力常被忽略不計。但是，對于一個具有極大質量的天體，引力成為決定天體之間以及天體與物體之間的主要作用。

　　電磁相互作用包括靜止電荷之間以及運動電荷之間的相互作用。兩個點電荷之間的相互作用規律是19世紀法國物理學家庫侖發現的。運動著的帶電離子之間，除存在庫侖靜電作用力之外，還存在磁力（洛倫茲力）的相互作用。

　　引力、電磁力這兩種力是長程力，從理論上說，他們的作用范圍是無限的，但是引力與電磁力相比要弱得多。宏觀物體之間的相互作用，除引力外，所有接觸力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現。

　　弱相互作用和強相互作用是短程力，短程力的相互作用范圍在原子核尺度內。強作用力只在10-15m范圍內有顯著作用，弱作用力的作用范圍不超過10-16m。這兩種力只有在原子核內部核基本粒子的相互作用中，才顯示出來，在宏觀世界里不能察覺他們的存在。

　　從放射性原子核的β衰變中人類開始接觸到弱相互作用，以后在觀測微觀粒子衰變現象中豐富了關于弱相互作用的實驗積累。

　　人類對強相互作用的認識也是從核力作用開始的。原子核由質子和中子組成，原子核大小在十萬億分之一厘米的數量級，每個核子的平均結合能為800萬電子伏特。原子核在裂變和聚變反應中，可以釋放大量能量。質子和中子能以如此大的結合能來束縛在如此小的范圍內，它們之間必須有很強的相互作用。這種作用開始稱為核力，后來發現它不僅存在于核子之間，也存在于其他一些微觀粒子之間，故統稱為強相互作用。存在強相互作用的粒子稱為強子。強相互作用比電磁相互作用又強了許多倍，但人類對強相互作用的理解還是極其初步的。