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第五种基本力可能确实存在

已有 3001 次阅读 2019-11-28 18:28 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察| 基本粒子, 标准模型, 第五种力

第五种基本力可能确实存在

诸平

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标准模型的粒子和相互作用玻色子。图片来源:Particle Data Group

据《今日宇宙》(Universe Today)2019年11月27日提供的消息,第五种基本力可能确实存在,但人们至今尚未找到它。

宇宙由四种基本力控制,这四种力分别是重力、电磁力和强弱核力。这些力推动着我们周围事物的运动和行为。但是在过去的几年中,越来越多的证据表明存在第五种基本力。虽然新的研究还没有发现第五种力,但是新研究表明我们仍然没有完全理解这些宇宙力。

基本力是粒子物理学标准模型的一部分。该模型描述了所有量子化微粒,包括电子,质子,反物质和其他。夸克,中微子和希格斯玻色子都是这种模型的一部分。

该模型中的“力(force)”一词有点用词不当。在标准模型中,每个力是一种载玻色子的结果。光子是电磁的玻色子。胶子是强相互作用的载体玻色子,而称为W和Z的玻色子则是弱相互作用的玻色子。从技术上讲,重力并不是标准模型的一部分,但假设量子引力具有一个称为引力子的玻色子。我们仍然没有完全理解量子引力,但是一个想法是引力可以与标准模型结合起来以产生一个大统一理论(grand unified theory,GUT)。

人们发现的每个粒子都是标准模型的一部分。这些粒子的行为与模型非常精确地匹配。科学家一直在寻找标准模型之外的粒子,但到目前为止,他们从未发现任何粒子。标准模型是科学理解的胜利,它是量子物理学的顶峰。但是研究人员已经开始研究标准模型它存在一些严重的问题。下图是

星系的观察表明暗物质的分布。

Observations of galaxies show the distribution of dark matter. Credit: X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK)

首先,我们现在知道标准模型无法以我们认为的方式与重力结合。在标准模型中,基本力在较高的能量水平下“统一”。电磁和弱电结合成电弱(electroweak),而电弱与强电结合成为电子核力(electronuclear force)。在极高的能量下,电子核力和重力应统一。粒子物理学中的实验表明,统一能(unification energies)不匹配。

更大的问题是暗物质的问题。最初提出暗物质来解释为什么星系外缘的恒星和气体运动得比重力预测的快。现有的万有引力理论是错误的,或者星系中一定有一些看不见的(暗的)质量。在过去的50年中,有关暗物质的证据变得非常有力。研究人员已经观察到暗物质如何将星系聚在一起,如何在特定星系中分布以及它的行为。已知它与常规物质或自身之间的相互作用不强,并且在大多数星系中占了大部分质量。

 

但是在标准模型中没有粒子可以构成暗物质。这有可能是暗物质可以作出的东西,如小黑洞,但天文数据并不真正地支持这一想法。暗物质很可能是由尚未发现的一些微粒构成的,这是标准模型无法预测的。

再就是暗能量问题。对遥远星系的详细观察表明,宇宙正在以不断增加的速度扩展。似乎有某种能量在推动这一过程,但我们并不知道如何做到的。这种加速可能是时空结构的结果,时空结构是一种导致宇宙膨胀的宇宙学常数。这可能是由尚未发现的某种新力所驱动的。不管暗能量是什么,它占宇宙的三分之二以上。

所有这些都表明标准模型充其量是不完整的。宇宙运作的方式从根本上缺少某些东西。从超对称到尚未发现的夸克,已经提出了许多解决标准模型的想法,但是一个想法是存在第五种基本力。这种力将拥有自己的载体玻色子(carrier boson(s))以及除我们发现的粒子以外的新粒子。目前,我们对宇宙的大多数并不了解。因为宇宙中暗能量(Dark energy)占69%;暗物质(Dark matter)占26%,正常物质(Normal matter)只占5%。

第五力还将以与标准模型相矛盾的微妙方式与研究人员观察到的粒子相互作用。这使研究人员得出了一篇新论文,声称有这种相互作用的证据。详见A.J. Krasznahorkay, et al. New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. arXiv:1910.10459v1 \[nucl-ex]: arxiv.org/abs/1910.10459和下面的论文

A.J. Krasznahorkay, et al. Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Signature of a Light, Neutral Boson. arXiv:1504.01527v1 \[nucl-ex]: arxiv.org/abs/1504.01527

该论文研究了氦4核(helium-4 nuclei)衰变的异常现象,它建立在对铍8(Beryllium-8)衰变的早期研究的基础上。铍8(8Be)的原子核不稳定,衰变为氦4(4He)的两个原子核。在2016年,研究小组发现铍8的衰变似乎稍微违反了标准模型。当原子核处于激发态时,它会在衰变时发出电子-正电子对(electron-positron pair)。在较大角度观察到的电子-正电子对数量高于标准模型的预测值,这被称为原子异常(Atomki anomaly)。

有许多可能的异常解释,包括实验错误,但其中一种解释是由名为X17的玻色子引起的。它将是质量为17 MeV的(至今未知)第五基本力的运载玻色子。在新论文中,研究小组发现了氦4衰变的相似差异。X17粒子也可以解释这种异常。详见A.J. Krasznahorkay, et al. New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. arXiv:1910.10459v1 \[nucl-ex]: arxiv.org/abs/1910.10459.

虽然这听起来很令人兴奋,但研究者提醒有必要保持谨慎。当您查看新论文的细节时,会有一些奇怪的数据调整。基本上,研究团队假设X17是准确的,并表明可以使数据适合其模型。证明新模型可以解释异常,并且与之前有关模型对异常的解释有所不同。但是,也有其他可能的解释。如果X17确实存在,那么研究者也应该在其他粒子实验中也看到过它,但并没有找到它。所以说这种“第五力”的证据仍然很弱。我们深知标准模型并没有完全相加,这意味着有一些非常有趣的发现正在等待发现。上述编译仅供参考,不妥之处,敬请指正。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

A new framework could aid the search for heavy thermal dark matter



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1 王安良

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