寻找第五种基本作用力
来源：南方日报 日期:2016-06-02
在物理学的理论中，存在着四大基本相互作用，分别是引力、电磁力、强相互作用以及弱相互作用。这些都是自然界中“力”的存在形式。长久以来，物理学界认为，自然界中的基本力绝不止上述四种，肯定存在着第五种以及更多的基本力。而围绕此假设开展的实验为数不少。
匈牙利国家科学院核子研究所的阿提拉·卡撒兹纳霍凯和其同事首先于2015年将他们的研究结果发表在arXiv论文预印本网站上，又于今年1月正式发表在了《物理评论快报》上。这篇论文认为存在一种新的轻玻色子，只比电子重34倍。但这一报告没有引起大规模关注。
然而在近期，以加州大学欧文分校物理及天文学教授冯孝仁为首的一组美国物理学家在论文预印本网站arXiv上发表了一篇分析文章，并且得出结论，认为该实验有可能是第五基本作用力存在的证据。
1.神秘的第五种基本力
目前物理学界公认的四种基本的相互作用力中，在宏观世界里，能显示其作用的只有两种：引力和电磁力;在微观的粒子物理的量子化中，经过有效的科研试验与自然界粒子探索，人们已经发现了电磁力和强、弱相互作用力。
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。
电磁力是电荷、电流在电磁场中所受力的总称。引力、电磁力能在宏观世界里显示其作用。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。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。
但是无论是在宏观世界呈现的电磁力与引力，还是微观世界中的强、弱相互作用力，都是我们目前能够观测到的物质世界，他们也能够在物理学的标准模型中得到实验证实。
然而，在宇宙中，占据了其质量约为27%的暗物质，却始终没有被人类清晰地认知。而且，粒子物理的标准模型也难以解释宇宙中的暗物质。所以，人类对宇宙的认知非常少，同样，这已经被公认的四种基本作用力，也不是自然界中所有力的总和，因此，物理学家们相信肯定有其他的基本力存在。其中，暗物质的神秘无疑为发现这项新的基本作用力构成了巨大的障碍。
“第五种相互作用还没有定论，我们不知道它是什么东西。任何一种新的相互作用都有可能是第五种相互作用。”清华大学粒子物理学博士莫方(化名)说。
理论学家提出了各种异常物质粒子和载力子的假说来寻找新的基本力。比如，在引力学说中，任何物体，不管是一个铁球还是一根羽毛，如果在自由下落，其加速度必然是一样的，这是伽利略的比萨斜塔实验的结果。可是，这个理论受到了严峻的挑战：一个以美国物理学家费希巴赫为首的科研小组，通过实验发现，不同质量的物体，在真空中实际上并不具有相同的重力加速度。费希巴赫推测，其原因可能是在物体下落时除了受到引力的作用以外，还受到一种尚不为人知的力的作用，他称之为宇宙中的第五种力——旋转力，但是最终也没有进一步的实验来证明。其他各种追寻第五种力的实验也在相继开展，但仍然没能揭开第五种力的“庐山真面目”。
2.暗光子揭示新的基本力?
据了解，目前比较受推崇的，是以“暗光子”的理论假说来开展的寻找第五种基本力的实验。卡撒兹纳霍凯称，他的团队当时就是在尝试寻找这种“暗光子”。
按照卡撒兹纳霍凯的表述，他们的实验结果是在寻找“暗光子”的过程中偶然所得。“暗光子的理论是在2008年前后提出来的，用来解释暗物质相关的一些现象。它是一种新的相互作用里存在的粒子，但是目前没有被发现。”莫方说。
先来看一下光子的概念：光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止时其质量为零。光子以光速运动，并具有速度、能量、动量、质量。
以此类比，物理学家认为“暗光子”同样具有光子的特性。并且，物理学家们将寻找暗光子也作为发现暗物质的重要手段。2015年初，研究人员找到了一条近年来最有价值的线索，并且伴随着新的基本作用力的线索，他们发现一些新的作用力似乎能让暗物质“开口说话”。这是在观察宇宙角落里一个名为Abell 3827的星团时发现的。
此后，天文学家利用“引力透镜效应”(指光经过大质量物体时会发生弯折的现象)锁定了暗物质在该星系团内4个相互碰撞的星系间的位置。哈勃空间望远镜和智利的甚大望远镜发现，至少围绕在一个星系周围的暗物质，明显落在了普通物质的后面，这意味着一个从未被观测到的现象：暗物质中的粒子正发生相互作用，并因此拖慢了自己的脚步。
由英国杜伦大学理查德·马西领导的研究小组推测，因为这一相互作用并未影响到普通物质，所以这种作用肯定是由引力之外的某种只影响暗物质的力主导的，比如一种由交换“暗光子”而形成的力。这类似于普通质子依靠电磁力进行相互作用的情形，即当两个质子相互靠近时，每个质子都将释放一个光子，并吸收对方的光子。动量由此交换，质子彼此分离。
根据莫方介绍，粒子物理学的目的是用一个理论来解释所有的现象。既然标准模型不能解释暗物质，就说明有未知的相互作用力。理论物理学家一直在努力构造新的理论来尝试解释暗物质，这些新理论中会包含新粒子，并且预言了它们的性质。实验物理学家就通过做实验来验证或者否决这些理论。
3.实验中的“凸起”或是新粒子造成
在实验中，匈牙利的团队用质子轰击锂-7薄靶，制造出不稳定的铍-8核，铍-8核会发生衰变，并释放成对的电子和正电子。根据标准模型，随着电子和正电子轨迹之间的角度(虽然电子和正电子都非常微小，但是实验上仍然可以重建出它们的运动轨迹，运动轨迹的夹角形成角度)增加，物理学家观测到的正负电子对的数量应该降低。但研究团队报道称，在二者运动轨迹的夹角成大约140°角时，这样的正负电子对数量突增——在正负电子对随角度变化的曲线上制造了一个“凸起”。而当角度继续增大，正负电子对的数量又重新降低。
正是这个“凸起”，使上述实验具有了不平凡的意义。
卡撒兹纳霍凯说，这个“凸起”有力地证明，不稳定的铍-8核中，有一小部分以一种新粒子的形式释放了多余的能量，这种新粒子进一步衰变成了正负电子对。也就是这些新粒子进一步衰变出来的电子对造成了这个“凸起”。
而且，他和同事计算得出，这种粒子的质量大约是17兆电子伏(MeV)。这也引起了非常大的争议。众所周知，类似的实验中，一丁点的误差就很可能造成实验结果的差之千里。因此，是否是试验中的误差导致的这个“凸起”，而不是研究团队所宣称的新的粒子呢?…
