温馨提示：还不了解四种基本力的读者请查阅：《一场基本力之间的较量》。
粒子物理学的标准模型，包含了电磁力、强核力和弱核力，成功的解释了我们在加速器和探测器观测到的所有粒子的作用。标准模型再加上广义相对论（描述引力的理论），就可以解释所有的粒子和它们的相互作用。这四种基本力可以解释：粒子-粒子的对撞；粒子衰变；粒子和反粒子的产生和湮灭；以及所有粒子的散射现象。
粒子物理学的标准模型，所有的粒子都已经被探测到。（© E.Siegel）
当然，还有许多现象是没有被解释的，比如物质/反物质的不对称，暗物质，缺乏强CP破坏或暗能量。但是就目前所观测到的所有粒子，利用标准模型结合广义相对论都能够完美解释。这样的局面，至少维持到去年。直到匈牙利的科学家在实验中观测到了一次罕见，短命的元素的衰变。这个元素就是铍-8（在《三个不一般的元素》中我们提到过它）。
恒星中发生的3氦过程，产生碳元素和重元素的必要过程。但是需要第三个氦-4原子核在铍-8发生衰变前相互作用。否则铍-8会衰变会两个氦-4。（© E.Siegel）
铍-8在产生宇宙中的重元素中扮演着至关重要的角色。在恒星（比如太阳）中心，氢会聚变为氦。只要在核心还有氢在聚变，那么元素周期表就会停留在氦。一旦氢燃烧殆尽，核心就会收缩并且加热，直到温度高到足以把氦聚变为碳。为了达到这一步，必须经历一个中间步骤：两个氦聚变为铍-8，再加上一个氦就会产生碳（上图）。但是经历这一过程的时间非常的短暂，因为铍-8在极其短暂的时间内就会衰变成两个氦原子核，多短暂？10⁻¹⁷秒！！这意味着碳都是在这么短的时间内形成的。只有达到了这一步，才能产生更重的元素。
铍-8核激发态，在18.15MeV态（红色）上出现异常。18.15MeV和17.64MeV两个激发态都会衰变到基态上。（© Savage et al. 1987）
有狭义相对论背景的读者可以尝试通过能量/动量守恒推导出该X玻色子的质量：
在实验室中，可以通过用质子轰炸在薄薄的锂-7靶上，来产生稍纵即逝的铍-8。通过这个过程，甚至可以制造出处于激发态的铍-8，这样就能确保铍-8不仅仅只会衰变成两个氦原子核，还会在衰变的过程中辐射出高能的光子。在如此高的能量环境下，光子还会自发的产生电子/正电子对。由于能量/动量守恒，释放出的电子和正电子之间会有特定的轨道夹角。
看云室中看到的不稳定粒子的衰变轨迹，从这我们可以知道它们原来的反应物。这里显示的是氡-220的衰变。（© Wikimedia Common Clodylabs）
我们期待会看到一连串这些不同的轨道夹角，随着电子和正电子轨道夹角的增大，观测到的正负电子对的数量就越少。但是，由Krasznahorkay领导一个匈牙利团队发现，正负电子对数量在140度的角度处出现了一个耐人寻味的“凸起”。除了光子，得到这么一个“凸起”最简单的方式是允许铍-8在此处分裂出一种新的粒子，新粒子再衰变成一个正负电子对。
匈牙利团队的实验结果，新粒子的质量为17MeV/c²。（© A.J.Kraznahorkay et al. 2016）
大约两个星期前，当冯孝仁团队发表了他们的论文（arXiv:1604.07411）后，物理学家和媒体界都沸腾了。他们对实验结果进行了再分析后认为这个粒子可能是一种新的粒子，一种质量为17MeV/c²的“疏质子”（因为它的行为像一个光子）玻色子，需要通过第五种力相互作用。这个结果是革命性的，是诺贝尔奖级别的发现！但前提是，实验结果是对的。而要确认真的存在第五种力，还要需要更多的努力。首先，匈牙利团队的实验必须能够被重复，要知道该团队在过去几年都有宣称发现了新粒子，但随着数据的增加，新粒子的信号也随之消失。另一方面，根据冯孝仁的想法，该疏质子X玻色子是一种奇异并极其短程的相互作用，只与一小子集的已知粒子相耦合。正如论文的合著者Timothy Tait所说，“我们所发现的已知玻色子并没有这样的信号。因此我们就将它称为‘X玻色子’，‘X’意味着未知。”再者，该相互作用必须非常的弱，否则它是无法逃过这65年来对粒子的探测。这更像是理论学家构建了一个模型来追寻根本不存在的幽灵粒子。
冯孝仁的假想，一个特定能量的质子轰炸了处于静止的锂-7原子核，并激发他们成为181.5MeV的铍-8态。接着会衰变为铍-8基态。有一些衰变会通过一个疏质子X玻色子传递，该玻色子会衰变为特定夹角的电子和正电子，并被探测到。（© Flip Tanedo）
但如果这的确是一个新粒子，这将改变一切。新粒子的静止质量（17MeV/c²）以及它的其它性质非常值得探讨。它的自旋为1，代表它是一个玻色子。它要传播的足够远，使它在10⁻¹⁴秒的时间里能够被探测到，这告诉我们这是一个弱衰变，而不是电磁衰变，意味着它不是一个轻子束缚态。它也不可能是两个夸克的结合，因为它太轻了。如果粒子是真实存在的，它应该是一种全新的粒子，不在标准模型范围内的新粒子。
原始数据的异常信号（圆圈圈），显示了潜在的发现。尽管看起来好像只是一个很小的差别，但在统计上却是非常显著的。（© A.J.Kraznahorkay et al. 2016）
但或许它不是真的。这很可能只是一个实验哪里出现的错误。检验该结果的最佳途径并不是来自理论组，而是一个独立的实验小组能够复制该实验，并且得到更高精度的结果以及更小的误差。他们需要探测铍-8的激发态是否需要一个额外的，不是光子的粒子来解释这个衰变。如果需要一个新粒子，那么我们就发现了非常了不得的事情，但如果不需要，这将只是众多超越标准模型信号中的又一个让物理学家空欢喜的信号。
焦躁不安的物理学家现在太需要一个能够打破现状的新发现，以至于哪怕是一个错误的信号也能够掀起一番激烈的讨论。 
发表于 2017-7-9 07:46
收藏
分享