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第五种基本相互作用被找到了?

时间: 2019年11月29日 | 作者: 张华 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
一支来自匈牙利的研究团队提出,他们在粒子碰撞实验中,找到了一种全新的粒子——X17。而且,这种神秘粒子产生的相互作用,无法通过已知的基本相互作用来解释。


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论文第一作者Krasznahorkay(图右)


标准模型,无疑是现代物理学的重要基石。根据这个模型,自然界存在四种基本相互作用——引力、电磁力、弱核力和强核力,这是很多读者耳熟能详的知识。最近,一支来自匈牙利的研究团队提出,他们在粒子碰撞实验中,找到了一种全新的粒子——X17。而且,这种神秘粒子产生的相互作用,无法通过已知的基本相互作用来解释。也就是说,如果结论得到证实,这将是超出现有认识的第五种相互作用。这个惊人的结论,是诺奖级别的突破,还是意外产生的假数据?


撰文 | 张华

编辑 | 吴非



新粒子X17


早在2015年,这些来自匈牙利核科学研究所和德布勒森大学的物理学家就首次提出了质量为17 MeV(兆电子伏特)的新粒子。


当时,为了寻找可能的暗物质候选粒子,研究团队在实验室中用高速质子束撞击3号元素锂原子。在碰撞过程中,一些锂原子核吸收了质子,变成4号元素铍。


被撞出来的铍具有放射性,它很快发生衰变。经过足够多的实验数据采集,这些物理学家观察到,衰变除了产生一个稳定的铍原子,还生成了一个神秘的粒子X。这个粒子随后分裂为一个电子和一个正电子。


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实验过程示意图,来源:Krasznahorkay et al., 2015


而在测量这对正负电子间的分离角度时,研究人员发现了一个不同寻常的现象:分离角度在140°的正负电子异常丰富。这时,他们意识到,这个异常的背后,可能是一种隐藏了全新物理规律的未知粒子。


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140°时,正负电子对的数量出现了一个峰值,来源:Krasznahorkay et al., 2015


这个能裂变成正负电子对的神秘粒子X,到底是什么?物理学家首先想到了光子,但很快,这个选项就被排除了。


中科院理论物理研究所的杨金民研究员告诉《环球科学》:“这个X粒子的速度很慢,所以它不是光子。如果是光子的话,由于光子的速度很快,其分裂产生的正负电子的夹角也不可能达到140°。”


既然暂且无法归类于已知粒子,匈牙利研究小组将这种X粒子命名为X17,因为它的静止质量近似为17 MeV,这是一种质量为33倍电子质量的新粒子。



第五种相互作用?


在这项研究被《物理评论快报》接收、发表之后,物理学家意识到,X17不仅是一种新粒子——如果它的存在得到证实,这种粒子更预示了超越标准模型的第五种相互作用。


为了解释这个问题,我们需要首先了解X17的自旋。前面说到,X17的裂变产物是正电子与负电子,而电子与正电子的自旋都等于1/2。按照自旋角动量的合成原则,新粒子的自旋或者是0,或者是1。也就是说,X17应该是一种玻色子(量子自旋数为整数的粒子),而玻色子是可以传递相互作用的。


那么,X17的自旋究竟是0还是1?如果X17的自旋等于0,那么它应该是类似于希格斯粒子那样的标量粒子;如果自旋等于1,那么它应该是类似于光子的矢量粒子。


通过μ子的反常磁矩等实验,物理学家论证了X17自旋为0的可能性很小。也就是说,X17的自旋状态基本确定为1了。那么,这种粒子又是如何传递相互作用的?


我们知道,根据目前的粒子物理学标准模型,存在四种基本的相互作用:引力、电磁力、弱核力(导致放射性衰变)和强核力(使原子核结合在一起)。


其中,传递电磁相互作用的光子已经在上文中被排除。而在其他三种相互作用中,传递引力的引力子的自旋等于2,首先被排除。传递弱相互作用的W与Z粒子,以及传递强相互作用的胶子自旋都为1,符合条件。但是,胶子与光子的情况相似:其静质量为0,与X17的质量不符合;而W与Z粒子的质量远远大于17 MeV,同样不满足X17的条件。


2017年,加州大学欧文分校的华人物理学家Jonathan L. Feng等人,在一项发表于《物理评论D》的研究中,通过理论模型给出了全新的解释。他们将X17解释为暗光子(通常叫Z')。Z'传递的相互作用类似电磁作用,但绝不是电磁作用,因此这是超出现有模型的第五种相互作用。在目前的模型中,这种暗光子也可以构建一个新的暗物质模型。


目前,存在第五种相互作用的可能性无法被排除。粒子物理的标准模型只能解释物理学家已经观察到的物质,但我们知道宇宙的大部分质量是“暗物质”,暗物质粒子到底是什么,现在还不清楚。或许,暗物质粒子就与这个新发现的X17粒子存在联系。


但是,X17粒子的存在,却没有得到世界上其他物理学家的确认。虽然匈牙利团队的论文已经发表,却一直没有别的团队跟进。



新的实验证据


最近,匈牙利研究团队通过一项氦原子核的跃迁实验,再次验证了自己4年前的发现。这次,他们把锂元素换成了氚。用质子束击中氚靶后,氚吸收一个质子并转变成氦。随后,氦发生了衰变。在衰变过程中,形成能量为21 MeV的激发态,随后转变成一对正负电子。他们测量了正负电子对之间的夹角后,在115°处再次看到了电子-正电子对数量的峰值。这种现象,同样可以通过一个静止质量为17 MeV的未知粒子来解释。


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实验在115°时再次出现峰值,来源:Krasznahorkay et al., 2019


这项研究尚未正式发表,但已经被研究团队上传至物理预印本文库。这篇论文再次证明了自己此前的结论,相当于给自己做了一个对照实验。


这个结论看上去令人兴奋,但需要强调的是,目前事态还不明朗。或许,正如一些报道所言,这可能会是一个诺奖级别的发现。但在此之前,必须有其他独立的研究团队重现这个实验结果,以确保没有任何实验特定的错误源产生假信号。费米实验室的资深科学家Don Lincoln就提醒我们,在物理学的历史上,有过很多令人激动的惊人结论,但当我们进一步审视这些研究,它们大多都宣告破灭。


所以,现在说X17一定存在还为时尚早,而“X17预示了第五种相互作用”,也仅仅是一个理论猜想。这些结论,都需要时间的检验。无论如何,物理学就是这样缓慢前进的,真正的科学发现往往是孤独的,也可能无人喝彩。也许,就像历史上的一些先例,物理学的突破就在不经意间发生。


参考文献:

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