科學(xué)家現(xiàn)在發(fā)表了一項(xiàng)研究，暗示了一種以前不為人知的亞原子粒子的存在，該團(tuán)隊(duì)在2016年首次報(bào)告發(fā)現(xiàn)了這種粒子的痕跡，現(xiàn)在他們在另一個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)中報(bào)告了更多痕跡。

如果結(jié)果得到證實(shí)，所謂的“X17粒子”可以幫助解釋暗物質(zhì)，科學(xué)家們認(rèn)為暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)量的80%以上，它可能是“第五種力”的載體，而不是標(biāo)準(zhǔn)物理模型中的四種力（引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力），大多數(shù)尋找新粒子的科學(xué)家都使用了加速器。

將亞原子粒子高速碰撞在一起，然后觀察爆炸產(chǎn)生的結(jié)果。其中最大的加速器是歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），科學(xué)家們數(shù)十年來一直在尋找的粒子希格斯玻色子(Higgs Boson)就是在2012年被發(fā)現(xiàn)。Attila J.Krasznahorkay和在ATOMKI（匈牙利德布勒森核研究所）的同事們采取了不同方法，進(jìn)行了更小的實(shí)驗(yàn)，將被稱為質(zhì)子的亞原子粒子發(fā)射到不同原子的原子核。2016年，他們觀察了當(dāng)鈹-8原子核從高能態(tài)進(jìn)入低能態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電子和正電子對(duì)。

撞碎原子

當(dāng)電子和正電子之間有一個(gè)大角度時(shí)，發(fā)現(xiàn)與預(yù)期看到的有偏差。如果原子核發(fā)射出一種未知的粒子，然后這種粒子“分裂”成一個(gè)電子和一個(gè)正電子，那么這種反常現(xiàn)象就可以得到最好的解釋。這個(gè)粒子必須是玻色子，這是一種能傳力的粒子，它的質(zhì)量大約是1700萬電子伏特。這大約相當(dāng)于34個(gè)電子的質(zhì)量，對(duì)于這樣的粒子來說是相當(dāng)輕的。例如，希格斯玻色子質(zhì)量就是它的一萬多倍，由于它的質(zhì)量，Krasznahorkay和研究團(tuán)隊(duì)將這種假想的粒子命名為X17。

現(xiàn)在他們在氦-4核中觀察到了一些奇怪的行為，這也可以用X17的存在來解釋。這一最新的異常在統(tǒng)計(jì)上具有重要意義——7西格瑪置信水平，這意味著結(jié)果偶然發(fā)生的可能性非常小。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了新發(fā)現(xiàn)通常的5西格瑪標(biāo)準(zhǔn)，所以結(jié)果似乎表明這里有一些新的物理學(xué)。然而，新的研究報(bào)告和2016年的報(bào)告遭到了物理學(xué)界的質(zhì)疑，這種質(zhì)疑在2012年兩個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子時(shí)并不存在。那么，為什么物理學(xué)家們很難相信像這樣的新輕量級(jí)玻色子會(huì)存在呢？

首先，這類實(shí)驗(yàn)比較困難，對(duì)數(shù)據(jù)的分析也很困難，信號(hào)可以出現(xiàn)和消失。例如早在2004年，Debrecen的研究小組就發(fā)現(xiàn)了他們認(rèn)為可能存在更輕玻色子的證據(jù)，但當(dāng)他們重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，信號(hào)消失了。其次，需要確保X17的存在與其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果是兼容的，在這種情況下，2016年鈹?shù)慕Y(jié)果和氦的新結(jié)果，都可以用X17的存在來解釋，但仍然需要獨(dú)立小組的獨(dú)立檢查。

這和暗物質(zhì)有什么關(guān)系？

Krasznahorkay和團(tuán)隊(duì)于2012年在意大利的一個(gè)研討會(huì)上，首次報(bào)告了新玻色子的弱證據(jù)（三西格瑪水平）。從那時(shí)起，研究小組使用升級(jí)的設(shè)備重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，并成功地重現(xiàn)了鈹-8的結(jié)果，這是令人放心的，就像氦-4的新結(jié)果一樣。

這些新結(jié)果在堪培拉澳大利亞國立大學(xué)舉行的HIAS 2019年研討會(huì)上發(fā)表?？茖W(xué)家們相信宇宙中的大部分物質(zhì)，對(duì)我們來說是看不見的。所謂的暗物質(zhì)只會(huì)非常微弱地與正常物質(zhì)相互作用，可以從它對(duì)遙遠(yuǎn)恒星和星系的引力效應(yīng)中推斷出它的存在，但它從未在實(shí)驗(yàn)室中被檢測到。

那么X17從何而來呢？

在2003年，Boehm證明了像X17這樣的粒子可以存在，在與Pierre Fayet和Alone合著的一年級(jí)中，它將在暗物質(zhì)粒子之間傳送力，就像光子或光粒子對(duì)普通物質(zhì)所做的那樣。在新研究提出的其中一個(gè)場景中，輕量級(jí)暗物質(zhì)粒子有時(shí)可以產(chǎn)生電子和正電子對(duì)，其方式類似于Krasznahorkay團(tuán)隊(duì)所看到的。這種情況導(dǎo)致了許多低能量實(shí)驗(yàn)中的搜索，這排除了很多可能性。

需要更多證據(jù)

然而，X17還沒有被排除，在這種情況下，Debrecen小組可能確實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)粒子是如何與我們的世界相互作用的。雖然來自Debrecen的結(jié)果非常有趣，但物理界在得到獨(dú)立確認(rèn)之前，不會(huì)確信確實(shí)發(fā)現(xiàn)了新的粒子。所以我們可以期待世界上許多正在尋找新輕量級(jí)玻色子的實(shí)驗(yàn)，開始尋找X17以及它與電子和正電子對(duì)相互作用的證據(jù)。如果得到確認(rèn)，下一個(gè)發(fā)現(xiàn)可能是暗物質(zhì)粒子本身。

博科園｜文：Celine Boehm and Tibor Kibedi/The Conversation

參考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:1910.10459

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