X17粒子：物理学新粒子可能解决暗物质之谜

诸平

据《对话》（The Conversation）2019年12月10日提供的消息，匈牙利的一个科学家小组最近发表了一篇论文（published a paper），暗示了以前未知的亚原子粒子的存在（New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle

A.J. Krasznahorkay, M. Csatlos, L. Csige, J. Gulyas, M. Koszta, B. Szihalmi, J. Timar, D.S. Firak, A. Nagy, N.J. Sas, A. Krasznahorkay）该小组于2016年首次报告（reported）发现了该粒子的痕迹，现在他们在另一个实验中报告了更多的痕迹。

如果结果得到证实，所谓的X17粒子可以帮助解释暗物质，科学家认为这种神秘物质占宇宙质量的80％以上。它可能是“第五种力”的载体（可以参考“第五种基本力可能确实存在”），而不是物理学标准模型（重力，电磁，弱核力和强核力）中所解释的四种力。

粉碎原子（Smashing atoms）

大多数寻找新粒子的研究人员都使用巨大的加速器，这些加速器将亚原子粒子高速粉碎在一起，并观察爆炸产生的原因。这些加速器中最大的是欧洲的大型强子对撞机（The Large Hadron Collider in Europe），希格斯玻色子是粒子科学家一直在寻找的数十年之久，终于在2012年被发现。

匈牙利德布勒森核研究所（The Institute of Nuclear Research in Debrecen, Hungary简称ATOMKI）的Attila J. Krasznahorkay和他的同事采用了另一种方法，进行了较小的实验，将不同质子原子的亚原子粒子发射到不同原子的原子核上。2016年，他们研究了铍8核（⁸Be）从高能态转变为低能态时产生的成对电子和正电子。

当电子和正电子之间存在大角度时，他们发现与预期的结果有所偏差。如果原子核发射出一个未知的粒子，然后“分裂”为电子和正电子，则可以最好地对这种异常进行解释。该粒子将必须是玻色子，玻色子是承载力的粒子，其质量约为1700万电子伏特。大约重达34个电子，对于这样的粒子而言，这是相当轻的。由于其质量，Attila J. Krasznahorkay及其团队将其称为假设X17粒子。现在他们已经观察到氦4核（⁴He）中的某些奇怪行为，这也可以通过X17粒子的存在来解释。最新的异常具有统计上的意义-7 σ置信水平，这意味着偶然发生结果的可能性很小。这远远超出了新发现的通常的5σ标准，因此结果似乎暗示这里有一些新的物理学信息。

检查与再检查

尽管某些奇怪行为似乎暗示有新的物理学信息，但是，新的公告和2016年的公告却遭到了物理学界的怀疑。当两个团队在2012年同时宣布发现希格斯玻色子时，这种就怀疑荡然无存了。那么，为什么物理学家很难相信这样的轻质玻色子会存在呢？

首先，这类实验很困难，数据分析也很困难。信号可以出现和消失。例如，早在2004年，德布勒森(Debrecen)的小组发现了证据，认为它们可能是更轻的玻色子的存在，但是当他们重复实验时，信号消失了。

其次，需要确保X17的存在与其他实验的结果兼容。在这种情况下，可以通过X17的存在来解释2016年使用铍（Be）的结果和使用氦气(He)的新结果，但是仍然需要来自独立小组的独立检查。

克拉斯纳霍凯（Krasznahorkay）和他的小组在2012年的一次意大利会议上首次报告了新玻色子的证据不充分（只有3σ级）。此后，研究小组使用升级后的设备重复了该实验，并成功再现了铍8（⁸Be）的结果，令人放心的是，氦4(⁴He)的新结果也是如此。这些新结果已在堪培拉澳大利亚国立大学(Australian National University in Canberra)的HIAS 2019研讨会上发表。

这与暗物质有什么关系？

科学家认为，宇宙中大多数物质对我们来说都是看不见的。所谓的暗物质只会与正常物质非常微弱地相互作用。我们可以从对遥远的恒星和星系的引力作用中推断出它的存在，但是在实验室中从未发现过它。

那么X17进入何处？

2003年，已经有人（Boehm）与皮埃尔·法耶特（Pierre Fayet）合着并独自完成的研究表明，存在像X17这样的粒子。它将以与光子对普通物质相同的方式在暗物质粒子之间传递力。有人提出在一种情况下，轻质暗物质粒子有时会以类似于克拉斯纳霍凯小组所见的方式，产生电子对和正电子对。这种情况导致在低能耗实验中进行了许多搜索，从而排除了很多可能性。但是，尚未排除X17，在这种情况下，德布勒森小组可能确实发现了暗物质粒子如何与我们的世界进行交流。

需要更多证据

尽管德布勒森的结果非常有趣，但直到获得独立确认之前，物理学界不会相信确实发现了一种新粒子。因此，科学家可期待世界各地的许多实验，它们正在寻找一种新型的轻质玻色子，以开始寻找X17及其与电子和正电子对相互作用的证据。如果得到确认，下一个发现可能就是暗物质粒子本身。更多信息请注意浏览相关报道或者原文。