自然界第五种基本相互作用能否成为惊喜

　　麦克斯韦总结了前人一系列发现和实验成果，于1875年提出了描写电磁作用的基本运动方程式，后来称为麦克斯韦方程。这是第一个完整的电磁理论体系，它把两类作用——电与磁——统一起来了，定量地描述了它们之间的相互影响相互转变的规律。

　　匈牙利物理学家在正负电子谱仪中发现了一种异常的放射性衰变，他们认为这代表着一种新的粒子。但在一组美国理论物理学家看来，认为这或许代表着自然界的第五种相互作用。

　　最近物理学家们为搞清这件事忙活了起来。

　　由阿提拉·卡撒兹纳霍凯（Attila Krasznahorkay）领导的匈牙利科学院核物理研究所团队于2015年在论文预印本网站arXiv上公布了这一发现，并于今年1月在《物理评论快报》（PRL）上发表了论文。但这篇号称发现了一种只比电子重34倍的玻色子的论文，并没有得到学界的关注。

　　然而，4月25日，一组美国理论物理学家在arXiv上发布了一篇新的论文，对匈牙利团队的数据进行了再分析，发现他们的结果并不与任何已知实验相冲突，并进一步推断他们发现的可能是第五种基本相互作用。加州大学欧文分校的物理学家冯孝仁（Jonathan Feng）说：“我们把原本艰涩难懂的数据梳理得更加清晰了。”他是这篇arXiv论文的第一作者。

　　4天后，冯孝仁团队的两位成员在于美国SLAC国家加速器实验室举行的研讨会上报告并讨论了这一发现。当时参会的研究者之一，托马斯·杰斐逊国家加速器实验室的博格丹·沃切豪斯基（Bogdan Wojtsekhowski）透露，当时其他研究者虽然抱有怀疑，但都对这个想法感到激动不已。

　　“很多参会者都正在考虑如何通过独立的方法来检验这一结果。”他说。来自欧洲和美国的团队都表示能在一年左右的时间内确认或证伪匈牙利团队的实验结果。

　　寻找新的作用力

　　物理学理论中有四大基本相互作用：引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用，但也有很多研究者提出第五种相互作用，只是都没有有力的证据。过去10年以来，由于粒子物理的标准模型无法解释暗物质（一种占了宇宙物质总质量的80%以上，却不可见、难以捉摸的物质）的存在，对第五种基本作用的搜寻更是逐渐升温。

　　理论物理学家提出了多种多样的奇特物质粒子和携带作用力的粒子，其中就包括“暗光子”（dark photon）。普通光子是传递电磁相互作用的载体，而根据他们的理论，暗光子就是这种新的相互作用的载体。

　　匈牙利团队的卡撒兹纳霍凯说他们就在寻找这样的暗光子，而冯孝仁认为匈牙利团队找到的是别的东西。后者的实验是将质子打到薄薄的锂-7靶上，这会产生不稳定的铍-8核，放出正负电子对。根据标准模型，放出的正负电子对彼此之间的轨道夹角越大，其数量就越少，但该团队却发现，正负电子对数量在140°的角度处出现了一个不寻常的“凸起”，在此之后才随着角度增大而减小。

　　到底是什么粒子

　　“我们对这一发现很有自信。”

　　卡撒兹纳霍凯认为，这个“凸起”有力地表明铍-8在此处分裂出了一种新的粒子，新粒子再衰变成一个正负电子对。他们通过计算表明这个新粒子的质量约为17 MeV（兆电子伏特）。

　　“我们对这一发现很有自信。” 卡撒兹纳霍凯说。他们在过去的三年里已经重复了好几次实验，消除了所有能够想到的误差来源。如果他们所说的都是真的，那么这一“异常”的实验结果只是纯粹偶然出现的概率只有2000亿分之一。

　　冯孝仁则认为，这个17 MeV的粒子不是所谓的“暗光子”。在分析了“异常凸起”，并与之前的实验结果相比对以后，他们认为这个粒子可能是一种“疏质子X玻色子”（protophobic X boson）。这类粒子传递了一种极短程的相互作用，其作用距离只有原子核直径的几倍。此外，暗光子可以与电子和质子耦合，而这种新玻色子耦合的是电子和中子。冯孝仁的团队还在分析是否有其他粒子能解释这种异常现象，但疏质子X玻色子仍然是能最为简单地解释该现象的一种可能理论。

　　非常规的耦合

　　麻省理工学院（MIT）的理论物理学家杰西·泰勒（Jesse Thaler）对此抱有怀疑。他说：“冯孝仁团队提出的耦合太不寻常了，如果要我来对标准模型进行补充以解释这一现象，我首先提出的肯定不会是这样的观点。”不过，他仍在关注这一提议：“或许这能成为我们对可见宇宙之外的物理学世界的最初一瞥。”

　　研究者很快就能验证这一17 MeV的新粒子是否确凿存在了。上文提到的杰斐逊加速器实验室就在进行一个叫做“暗光”（DarkLight）的实验，通过向氢气靶上轰击电子来寻找质量在10到100 MeV间的暗光子。该项目的发言人，麻省理工学院的理查德·米勒（Richard Milner）表示，他们会优先以17 MeV的区域为目标，在一年左右的时间内就能找到匈牙利团队所说的的粒子，或至少对它与普通物质的耦合设立严格的界限。

　　欧洲核子中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）中原本用来研究夸克-反夸克衰变的LHCb实验也会寻找该玻色子，除此之外欧洲还有两个另外的实验也会向固定靶轰击正电子：一个位于罗马附近的弗拉斯卡蒂国家实验室（预计2018年启动），另外一个位于俄罗斯西伯利亚的布德克尔核物理研究所。

　　纽约州立大学石溪分校的理论物理学家，同时也是SLAC研讨会组织者之一的罗文·艾斯格（Rouven Essig）认为，这种新玻色子“出人意料的性质”会让物理学家很难确认它的存在，但他很欢迎大家来检验它。“不做另外的实验来检验这个结果就是疯了，”他说，“毕竟大自然曾给我们带来过这样那样的惊喜！”

　　稿件来源：环球科学 （科学美国人中文版）

　　撰文：埃德温·卡特利奇（Edwin Cartlidge）

　　翻译：丁家琦

　　查漏补缺

　　中学物理学过的四种基本相互作用， 你还记得吗？

　　目前物理学界公认，世界存在四种基本的相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。

　　在宏观世界里，能显示其作用的只有两种：引力和电磁力。

　　引力是所有物体之间都存在的一种相互作用。由于引力常量G很小，因此对于通常大小的物体，它们之间的引力非常微弱，在一般的物体之间存在的万有引力常被忽略不计。但是，对于一个具有极大质量的天体，引力成为决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。

　　电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用。两个点电荷之间的相互作用规律是19世纪法国物理学家库仑发现的。运动着的带电离子之间，除存在库仑静电作用力之外，还存在磁力（洛伦兹力）的相互作用。

　　引力、电磁力这两种力是长程力，从理论上说，他们的作用范围是无限的，但是引力与电磁力相比要弱得多。宏观物体之间的相互作用，除引力外，所有接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。

　　弱相互作用和强相互作用是短程力，短程力的相互作用范围在原子核尺度内。强作用力只在10-15m范围内有显著作用，弱作用力的作用范围不超过10-16m。这两种力只有在原子核内部核基本粒子的相互作用中，才显示出来，在宏观世界里不能察觉他们的存在。

　　从放射性原子核的β衰变中人类开始接触到弱相互作用，以后在观测微观粒子衰变现象中丰富了关于弱相互作用的实验积累。

　　人类对强相互作用的认识也是从核力作用开始的。原子核由质子和中子组成，原子核大小在十万亿分之一厘米的数量级，每个核子的平均结合能为800万电子伏特。原子核在裂变和聚变反应中，可以释放大量能量。质子和中子能以如此大的结合能来束缚在如此小的范围内，它们之间必须有很强的相互作用。这种作用开始称为核力，后来发现它不仅存在于核子之间，也存在于其他一些微观粒子之间，故统称为强相互作用。存在强相互作用的粒子称为强子。强相互作用比电磁相互作用又强了许多倍，但人类对强相互作用的理解还是极其初步的。