物理學家表示，匈牙利的一項實驗室實驗發現了一種放射性衰變異常，這可能是以前未知的第五種自然基本力的標誌——如果這一發現成立的話。
匈牙利科學院位於德布勒森的核研究所的阿提拉·克拉斯納霍凱及其同事在2015年在arXiv預印本伺服器上報告了他們令人驚訝的結果，並在今年1月發表在期刊《物理評論快報》上。但這份報告——提出了存在一種新的、僅比電子重34倍的輕玻色子的觀點——在很大程度上被忽視了。
然後，在4月25日，一組美國理論物理學家透過在arXiv上發表他們自己對該結果的分析，引起了更廣泛的關注。理論家們表明，該資料與之前的任何實驗都沒有衝突，並得出結論，這可能是第五種基本力的證據。加州大學歐文分校的arXiv報告的主要作者喬納森·馮說：“我們把它從相對默默無聞中帶了出來。”
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四天後，馮的兩位同事在加利福尼亞州門洛帕克的SLAC國家加速器實驗室的一個研討會上討論了這一發現。弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施的物理學家博格丹·沃伊特塞霍夫斯基說，那裡的研究人員對此想法持懷疑態度，但感到興奮。“研討會的許多參與者正在考慮不同的方法來驗證它，”他說。歐洲和美國的團隊表示，他們應該能夠在一年左右的時間內確認或反駁匈牙利的實驗結果。
尋找新的力
引力、電磁力以及強核力和弱核力是物理學已知的四種基本力——但研究人員多次提出過尚未證實的第五種力的主張。在過去十年中，由於粒子物理學標準模型無法解釋暗物質——一種被認為佔宇宙質量80%以上的不可見物質——對新力的研究有所增加。理論家們提出了各種奇異物質粒子和力的載體，包括類似於攜帶電磁力的常規光子的“暗光子”。
克拉斯納霍凱說，他的團隊正在尋找這種暗光子的證據——但馮的團隊認為他們發現了一些不同的東西。匈牙利團隊用質子轟擊薄的鋰-7靶，產生了不穩定的鈹-8核，然後鈹-8核衰變並噴射出成對的電子和正電子。根據標準模型，物理學家應該看到，隨著電子和正電子軌跡之間的夾角增大，觀測到的電子對的數量會下降。但該團隊報告說，在大約140°時，這種發射的數量會躍升——當成對的數量與角度繪製在一起時會產生一個“駝峰”——然後在更高的角度下再次下降。
置信度中的駝峰
克拉斯納霍凱說，這個駝峰有力地證明了一小部分不穩定的鈹-8核以新粒子的形式釋放了多餘的能量，然後該新粒子衰變為電子-正電子對。他和他的同事計算出該粒子的質量約為17兆電子伏特 (MeV)。
“我們對我們的實驗結果非常有信心，”克拉斯納霍凱說。他說，該團隊在過去三年中多次重複了測試，並且已經消除了所有可以想象的誤差來源。該團隊表示，假設它確實做到了這一點，那麼如果在沒有任何異常情況發生的情況下看到如此極端的異常現象的可能性約為2000億分之一。
馮及其同事表示，17兆電子伏特的粒子不是暗光子。在分析了該異常現象並尋找與先前實驗結果一致的性質後，他們得出結論，該粒子可能是一種“憎質子X玻色子”。這種粒子將攜帶一種作用範圍非常短的力，其作用距離僅為原子核寬度的幾倍。暗光子（如常規光子）會耦合到電子和質子，而新的玻色子會耦合到電子和中子。馮說，他的團隊目前正在研究其他可能解釋該異常現象的粒子。但他認為，憎質子玻色子是“最直接的可能性”。
非常規耦合
馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院 (MIT) 的理論物理學家傑西·塔勒說，馮的團隊提出的非常規耦合讓他懷疑新粒子的存在。“如果允許我隨意擴充標準模型，這肯定不是我首先會寫下來的東西，”他說。但他補充說，他正在“關注”這一提議。“也許我們正在看到我們第一次瞥見可見宇宙之外的物理學，”他說。
研究人員應該不必等待太久就能知道17兆電子伏特的粒子是否真的存在。傑斐遜實驗室的DarkLight實驗旨在透過用電子轟擊氫氣靶來尋找質量為10-100兆電子伏特的暗光子。現在，該合作專案的發言人、麻省理工學院的理查德·米爾納說，它將優先關注17兆電子伏特的區域，並且在大約一年內，要麼找到所提出的粒子，要麼對其與正常物質的耦合設定嚴格的限制。
同樣在尋找所提出的玻色子的還有位於日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室CERN的LHCb實驗，它將研究夸克-反夸克的衰變，以及兩個將正電子轟擊固定目標的實驗——一個在羅馬附近的INFN弗拉斯卡蒂國家實驗室，定於2018年啟動；另一個在俄羅斯西伯利亞城鎮新西伯利亞的佈德剋核物理研究所。
紐約州石溪大學的理論物理學家、SLAC研討會的組織者之一魯文·埃西格認為，該玻色子“有些出乎意料”的特性使其不太可能得到證實。但他歡迎進行測試。“不做另一個實驗來驗證這個結果是很瘋狂的，”他說。“大自然以前也讓我們感到驚訝！”
本文經許可轉載，並於2016年5月25日首次發表。