現在是成為粒子物理學家的好時機。長期以來人們一直尋找的希格斯玻色子粒子似乎終於在日內瓦的一個加速器中被發現，科學家們現在正熱衷於追蹤宇宙的另一個微小組成部分，這個部分與一種新的基本自然力有關。
一項利用地球自身作為電子來源的實驗，縮小了對一種新的力載粒子的搜尋範圍，對它所攜帶的力的大小設定了更嚴格的限制。
來自阿默斯特學院和德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員表示，如果這種新粒子是真實存在的，它將揭示地球內部的過程和結構。實驗結果發表在2月22日的《科學》雜誌上。
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這項新的自然力攜帶一種被稱為長程自旋-自旋相互作用的力，阿默斯特學院的物理學家、主要研究作者拉里·亨特說。短程自旋-自旋相互作用時常發生：磁鐵之所以能吸在冰箱上，是因為磁鐵中的電子和冰箱鋼外殼中的電子都以相同的方向旋轉。但是，長程自旋-自旋相互作用則更加神秘。 [古怪的物理學：自然界最酷的小粒子]
這種力將在物理學家所熟知的四種基本力（引力、電磁力以及強核力和弱核力）之外發揮作用。一些物理學家認為存在這種新力，因為擴充套件粒子物理學的標準模型——一種定義最微小粒子的物理學的理論——實際上預測了尚未被發現的、攜帶這種力的粒子。
非粒子
關於這種力的來源有三種可能性。第一種是被稱為“非粒子”的粒子，它在某些方面表現得像光子（光粒子），在其他方面表現得像物質粒子。第二種是被稱為 Z' （發音為“Z-prime”）的粒子，它是攜帶弱核力的Z玻色子的輕型近親。非粒子和Z'都來自對當前物理理論的擴充套件。第三種可能性是根本沒有新粒子，而是相對論的某些組成部分正在影響自旋。
非粒子最初由哈佛大學物理學家霍華德·喬吉於2007年提出。粒子具有確定的質量，除非它們是光子，光子是沒有質量的。電子或質子的質量不能改變，無論它具有多少動量——改變質量（以及因此產生的能量），就會改變它所屬的粒子型別。非粒子將具有可變的質量-能量。
儘管科學家們尚未發現與這種力相關的新粒子，但他們確實看到長程自旋-自旋相互作用必須比早期的實驗顯示的要小100萬倍。如果這種力存在，它是如此之小，以至於電子和中子等兩個粒子之間的引力要強一百萬倍。
由光子介導的普通的、冰箱磁鐵型別的自旋相互作用僅在非常短的距離內起作用。例如，磁力隨著距離的立方反比而下降——走遠兩倍，力的強度就會下降八倍。長程自旋-自旋力似乎並沒有下降那麼多。多年來，物理學家一直在尋找攜帶這種相互作用的粒子，但尚未發現它們。阿默斯特實驗對這種力的強度設定了更嚴格的限制，這為物理學家提供了關於在哪裡尋找的更好想法。
地球的電子
理論家們早就知道他們正在尋找的力會很弱，而且只能在非常遠的距離上被檢測到。因此，科學家們需要一種創造性的方法來尋找它。他們需要找到一個地方，那裡聚集著大量的電子以產生更強的訊號。
“電子具有很大的磁矩，”亨特說，“它們與地球磁場的對齊效果更好，因此它們是顯而易見的選擇。”任何輕微地推動與地球磁場對齊的電子自旋的因素，都會使這些自旋的能量發生少量變化。 [關於地球的 50 個驚人事實]
因此，阿默斯特和德克薩斯大學的團隊決定利用地球地幔中的電子，因為那裡有大量的電子——大約10^49個。“以前，人們會準備自旋極化的中子等樣本，”亨特說，“它們的來源是接近且可控的。但我意識到，擁有更大的來源，你就可以獲得更好的靈敏度。”
原因是，即使大約1000萬個地幔電子中只有一個會將其自旋與地球磁場對齊，也會剩下10^42個電子。即使無法像在實驗室中那樣控制它們，也有足夠多的電子可供使用。
電子地圖
科學家們首先繪製了地球內部電子的自旋方向和密度圖。該地圖基於德克薩斯大學地球科學副教授、這篇新論文的合著者林正福（Jung-Fu Lin）的工作。
為了繪製地圖，他們使用了地球地幔和地殼內所有已知強度的地球磁場方向。他們使用這張地圖來計算地球中的這些電子會對西雅圖和阿默斯特進行的自旋敏感實驗產生多大影響。
然後，阿默斯特團隊將磁場施加到一組亞原子粒子（本例中是中子）上，並仔細觀察它們的自旋。西雅圖小組觀察了電子。
這些實驗中自旋能量的變化取決於它們指向的方向。自旋以獨特的頻率圍繞施加的磁場旋轉。如果地幔中的電子正在傳遞某種影響它們的力，它應該表現為實驗室中粒子頻率的變化。
除了縮小對新力的搜尋範圍外，該實驗還指出了研究地球內部的另一種方法。目前，關於地球內部的模型有時會給出不一致的答案，例如，為什麼地震波以它們的方式穿過地幔。第五種力將成為一種“讀取”那裡亞原子粒子的方式，並且可能有助於科學家理解這種差異。它還將幫助地球科學家瞭解那裡的鐵的型別以及它所具有的實際結構。“它將為我們提供我們大多無法獲取的資訊，”林說。
編者注：本文已更新，以更正物理學家拉里·亨特的姓氏。
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