第五種力？

苗千

匈牙利科學(xué)院核物理研究所的物理學(xué)家阿提拉·卡撒茲納霍凱（Attila Krasznahorkay）與同事合作撰寫了一篇論文，并在2015年4月把它發(fā)布在了論文預(yù)印本網(wǎng)站上。這篇論文在網(wǎng)上的最初幾個(gè)月并未吸引太多關(guān)注，直到加州大學(xué)歐文分校（University of California，Irvine）的一位博士后研究員巴爾托什·福納爾（Bartosz Fornal）在網(wǎng)上搜索時(shí)偶然搜到這篇論文，這個(gè)消息引起了加州大學(xué)歐文分校的粒子物理學(xué)家馮孝仁（Jonathan Feng）的興趣。

匈牙利物理學(xué)家們的論文《對(duì)鈹-8原子核反常粒子對(duì)的觀測(cè)：可能指向一種輕的電中性玻色子》（Observation of Anomalous Internal Pair Creation in Be8：A Possible Indication of a Light，Neutral Boson）最終于2016年1月發(fā)表在著名的《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）雜志上。這個(gè)匈牙利研究小組利用質(zhì)子轟擊鋰-7原子核，產(chǎn)生出不穩(wěn)定的鈹-8原子核，隨后鈹-8原子核迅速衰變?yōu)殡娮?正電子對(duì)。根據(jù)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，電子-正電子對(duì)的數(shù)量應(yīng)該會(huì)隨著測(cè)量角度的逐漸增大而減少，但是實(shí)驗(yàn)人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，在140度的方位，電子-正電子對(duì)的數(shù)量忽然反常地增多，出現(xiàn)了一個(gè)高峰（bump）。實(shí)驗(yàn)人員聲稱在過(guò)去的三年中他們反復(fù)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這種情況純屬偶然的概率只有兩千億分之一——這意味著某種尚且不為人所了解的新發(fā)現(xiàn)。

匈牙利物理學(xué)家阿提拉·卡撒茲納霍凱

論文主要作者卡撒茲納霍凱認(rèn)為，這個(gè)現(xiàn)象意味著可能存在一種新粒子。而最有可能的，正是無(wú)數(shù)粒子物理學(xué)家們苦苦尋找的，承載了自然界中第五種相互作用的“暗光子”。這種目前尚存在于理論中的基本粒子不僅將拓展人類描述自然界一切基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型，也將把困擾了物理學(xué)家多年的暗物質(zhì)納入到基礎(chǔ)物理學(xué)的框架中——在理論上，暗光子可以像光子一樣與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，而同時(shí)也可以與暗物質(zhì)發(fā)生相互作用。毫無(wú)疑問(wèn)，這個(gè)猜測(cè)一旦得到證實(shí)，將是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，必將開啟物理學(xué)的新紀(jì)元。

人類目前認(rèn)識(shí)到了自然界存在的四種相互作用：電磁相互作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用和引力相互作用。除了引力相互作用尚無(wú)法被納入到標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)之外，暗物質(zhì)、暗能量等物理現(xiàn)象也無(wú)法利用標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解釋。因此很多物理學(xué)家懷疑，自然界中還存在著涉及暗物質(zhì)的第五種相互作用，而暗物質(zhì)之間相互作用的傳遞，就是由理論上的玻色子——暗光子來(lái)傳遞。在這樣的背景下，匈牙利研究小組發(fā)現(xiàn)的反?，F(xiàn)象，說(shuō)明可能存在一種質(zhì)量約為16.7MeV，僅為電子質(zhì)量34倍的玻色子，自然而然會(huì)令很多物理學(xué)家聯(lián)想到這可能正是承載著第五種相互作用的關(guān)鍵粒子。

美國(guó)托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（JLab）進(jìn)行的暗光實(shí)驗(yàn)（DarkLight Experiment）是一個(gè)由幾位麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家主持的持續(xù)了數(shù)年的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它正在尋找的就是普通物質(zhì)與暗物質(zhì)之間的橋梁：暗光子。但是目前還沒(méi)有任何進(jìn)展。暗光實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目把高能電子束射向氫氣，高能量的電子一旦與由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的氫原子發(fā)生撞擊，就有可能產(chǎn)生出假想中的暗光子，隨后人們就有可能觀測(cè)到暗光子衰變產(chǎn)生的電子-正電子對(duì)。目前，暗光實(shí)驗(yàn)正在尋找10MeV至100Mev質(zhì)量范圍之間的暗光子，在得到消息之后，他們將把17MeV質(zhì)量設(shè)為實(shí)驗(yàn)的首要對(duì)象。這種暗光子如果真的存在，暗光實(shí)驗(yàn)將可能在不到一年的時(shí)間發(fā)現(xiàn)它。

美國(guó)加州大學(xué)的粒子物理學(xué)家馮孝仁分析了匈牙利研究小組的論文，得出了與之不同的結(jié)論。他認(rèn)為這種可能存在的基本粒子并不是理論上的暗光子，而是另外一種被他稱為“X玻色子”的粒子。這種粒子承載一種極短的相互作用，其作用范圍只有幾個(gè)原子核的距離，而且可以與光子和中子發(fā)生相互作用。馮孝仁認(rèn)為，這種質(zhì)量較輕的玻色子之所以長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，正是因?yàn)樗c質(zhì)子和中子發(fā)生相互作用的方式和光子恰好相反：X玻色子可以與中子發(fā)生相互作用，卻躲避質(zhì)子。他在網(wǎng)上發(fā)布了論文《從鈹-8核躍遷發(fā)現(xiàn)的疏質(zhì)子的第五種力證據(jù)》（Evidence for a Protophobic Fifth Force from 8Be Nuclear Transitions），而目前歐洲核子中心的科學(xué)家們也開始在LHCb（歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)）此前的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中尋找這種玻色子存在的證據(jù)。

顯然并非所有的物理學(xué)家都感到信服和激動(dòng)。美國(guó)密歇根州立大學(xué)的物理學(xué)家?jiàn)W斯卡·納維利特-昆西奇（Oscar Naviliat-Cuncic）查看了這個(gè)匈牙利研究小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史，發(fā)現(xiàn)這個(gè)小組關(guān)于鈹-8原子核的實(shí)驗(yàn)，曾經(jīng)在2008年、2012年和2015年分別發(fā)表過(guò)三篇會(huì)議論文，他們?cè)诘谝黄撐闹新暶靼l(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量為12MeV的玻色子，第二篇論文聲明發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量為13.45MeV的玻色子，到了2015年玻色子的質(zhì)量則變成了16.7Mev，而在第三篇論文中，前兩次論文中的數(shù)據(jù)都消失了。納維利特-昆西奇認(rèn)為，這樣選擇性地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)讓人無(wú)法認(rèn)真對(duì)待這個(gè)研究小組的結(jié)論，或許再過(guò)幾年，這個(gè)新玻色子的質(zhì)量還會(huì)繼續(xù)改變。

無(wú)論如何，這種可能存在的新粒子已經(jīng)引起了全世界物理學(xué)家的興趣，并且在還未得到確定時(shí)就已經(jīng)承載了人們太多的期待，物理學(xué)家們太需要基礎(chǔ)物理學(xué)出現(xiàn)些許的新意，而不是被長(zhǎng)久地困在廣義相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)模型之中。現(xiàn)在人們只能等待，希望其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，讓時(shí)間來(lái)判斷這個(gè)大膽的假設(shè)。

（本文寫作參考了《自然》雜志和《Quanta Magazine》的報(bào)道）