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)上搜索時偶然搜到這篇論文，這個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《對鈹-8原子核反常粒子對的觀測：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《物理評論快報》（PRL）雜志上。這個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。根據(jù)物理學(xué)標準模型的預(yù)測，電子-正電子對的數(shù)量應(yīng)該會隨著測量角度的逐漸增大而減少，但是實驗人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，在140度的方位，電子-正電子對的數(shù)量忽然反常地增多，出現(xiàn)了一個高峰（bump）。實驗人員聲稱在過去的三年中他們反復(fù)進行測量，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為，這個現(xiàn)象意味著可能存在一種新粒子。而最有可能的，正是無數(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準模型，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，而同時也可以與暗物質(zhì)發(fā)生相互作用。毫無疑問，這個猜測一旦得到證實，將是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，必將開啟物理學(xué)的新紀元。

人類目前認識到了自然界存在的四種相互作用：電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用和引力相互作用。除了引力相互作用尚無法被納入到標準模型內(nèi)之外，暗物質(zhì)、暗能量等物理現(xiàn)象也無法利用標準模型來解釋。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——暗光子來傳遞。在這樣的背景下，匈牙利研究小組發(fā)現(xiàn)的反常現(xiàn)象，說明可能存在一種質(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。

美國托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室（JLab）進行的暗光實驗（DarkLight Experiment）是一個由幾位麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家主持的持續(xù)了數(shù)年的實驗項目，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。但是目前還沒有任何進展。暗光實驗項目把高能電子束射向氫氣，高能量的電子一旦與由一個質(zhì)子和一個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到暗光子衰變產(chǎn)生的電子-正電子對。目前，暗光實驗正在尋找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)為實驗的首要對象。這種暗光子如果真的存在，暗光實驗將可能在不到一年的時間發(fā)現(xiàn)它。

美國加州大學(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。馮孝仁認為，這種質(zhì)量較輕的玻色子之所以長時間沒有被發(fā)現(xiàn)，正是因為它與質(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（歐洲大型強子對撞機底夸克實驗）此前的粒子對撞實驗數(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。美國密歇根州立大學(xué)的物理學(xué)家奧斯卡·納維利特-昆西奇（Oscar Naviliat-Cuncic）查看了這個匈牙利研究小組的實驗數(shù)據(jù)和歷史，發(fā)現(xiàn)這個小組關(guān)于鈹-8原子核的實驗，曾經(jīng)在2008年、2012年和2015年分別發(fā)表過三篇會議論文，他們在第一篇論文中聲明發(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-昆西奇認為，這樣選擇性地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)讓人無法認真對待這個研究小組的結(jié)論，或許再過幾年，這個新玻色子的質(zhì)量還會繼續(xù)改變。

無論如何，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，而不是被長久地困在廣義相對論和標準模型之中?，F(xiàn)在人們只能等待，希望其他實驗室進行類似的實驗，讓時間來判斷這個大膽的假設(shè)。

（本文寫作參考了《自然》雜志和《Quanta Magazine》的報道）