第五种力？

苗千

匈牙利科学院核物理研究所的物理学家阿提拉·卡撒兹纳霍凯（Attila Krasznahorkay）与同事合作撰写了一篇论文，并在2015年4月把它发布在了论文预印本网站上。这篇论文在网上的最初几个月并未吸引太多关注，直到加州大学欧文分校（University of California，Irvine）的一位博士后研究员巴尔托什·福纳尔（Bartosz Fornal）在网上搜索时偶然搜到这篇论文，这个消息引起了加州大学欧文分校的粒子物理学家冯孝仁（Jonathan Feng）的兴趣。

匈牙利物理学家们的论文《对铍-8原子核反常粒子对的观测：可能指向一种轻的电中性玻色子》（Observation of Anomalous Internal Pair Creation in Be8：A Possible Indication of a Light，Neutral Boson）最终于2016年1月发表在著名的《物理评论快报》（PRL）杂志上。这个匈牙利研究小组利用质子轰击锂-7原子核，产生出不稳定的铍-8原子核，随后铍-8原子核迅速衰变为电子-正电子对。根据物理学标准模型的预测，电子-正电子对的数量应该会随着测量角度的逐渐增大而减少，但是实验人员惊讶地发现，在140度的方位，电子-正电子对的数量忽然反常地增多，出现了一个高峰（bump）。实验人员声称在过去的三年中他们反复进行测量，发现这种情况纯属偶然的概率只有两千亿分之一——这意味着某种尚且不为人所了解的新发现。

匈牙利物理学家阿提拉·卡撒兹纳霍凯

论文主要作者卡撒兹纳霍凯认为，这个现象意味着可能存在一种新粒子。而最有可能的，正是无数粒子物理学家们苦苦寻找的，承载了自然界中第五种相互作用的“暗光子”。这种目前尚存在于理论中的基本粒子不仅将拓展人类描述自然界一切基本粒子的标准模型，也将把困扰了物理学家多年的暗物质纳入到基础物理学的框架中——在理论上，暗光子可以像光子一样与普通物质发生相互作用，而同时也可以与暗物质发生相互作用。毫无疑问，这个猜测一旦得到证实，将是一个划时代的发现，必将开启物理学的新纪元。

人类目前认识到了自然界存在的四种相互作用：电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用和引力相互作用。除了引力相互作用尚无法被纳入到标准模型内之外，暗物质、暗能量等物理现象也无法利用标准模型来解释。因此很多物理学家怀疑，自然界中还存在着涉及暗物质的第五种相互作用，而暗物质之间相互作用的传递，就是由理论上的玻色子——暗光子来传递。在这样的背景下，匈牙利研究小组发现的反常现象，说明可能存在一种质量约为16.7MeV，仅为电子质量34倍的玻色子，自然而然会令很多物理学家联想到这可能正是承载着第五种相互作用的关键粒子。

美国托马斯·杰斐逊国家加速器实验室（JLab）进行的暗光实验（DarkLight Experiment）是一个由几位麻省理工学院的物理学家主持的持续了数年的实验项目，它正在寻找的就是普通物质与暗物质之间的桥梁：暗光子。但是目前还没有任何进展。暗光实验项目把高能电子束射向氢气，高能量的电子一旦与由一个质子和一个电子组成的氢原子发生撞击，就有可能产生出假想中的暗光子，随后人们就有可能观测到暗光子衰变产生的电子-正电子对。目前，暗光实验正在寻找10MeV至100Mev质量范围之间的暗光子，在得到消息之后，他们将把17MeV质量设为实验的首要对象。这种暗光子如果真的存在，暗光实验将可能在不到一年的时间发现它。

美国加州大学的粒子物理学家冯孝仁分析了匈牙利研究小组的论文，得出了与之不同的结论。他认为这种可能存在的基本粒子并不是理论上的暗光子，而是另外一种被他称为“X玻色子”的粒子。这种粒子承载一种极短的相互作用，其作用范围只有几个原子核的距离，而且可以与光子和中子发生相互作用。冯孝仁认为，这种质量较轻的玻色子之所以长时间没有被发现，正是因为它与质子和中子发生相互作用的方式和光子恰好相反：X玻色子可以与中子发生相互作用，却躲避质子。他在网上发布了论文《从铍-8核跃迁发现的疏质子的第五种力证据》（Evidence for a Protophobic Fifth Force from 8Be Nuclear Transitions），而目前欧洲核子中心的科学家们也开始在LHCb（欧洲大型强子对撞机底夸克实验）此前的粒子对撞实验数据中寻找这种玻色子存在的证据。

显然并非所有的物理学家都感到信服和激动。美国密歇根州立大学的物理学家奥斯卡·纳维利特-昆西奇（Oscar Naviliat-Cuncic）查看了这个匈牙利研究小组的实验数据和历史，发现这个小组关于铍-8原子核的实验，曾经在2008年、2012年和2015年分别发表过三篇会议论文，他们在第一篇论文中声明发现了一种质量为12MeV的玻色子，第二篇论文声明发现了一种质量为13.45MeV的玻色子，到了2015年玻色子的质量则变成了16.7Mev，而在第三篇论文中，前两次论文中的数据都消失了。纳维利特-昆西奇认为，这样选择性地呈现数据让人无法认真对待这个研究小组的结论，或许再过几年，这个新玻色子的质量还会继续改变。

无论如何，这种可能存在的新粒子已经引起了全世界物理学家的兴趣，并且在还未得到确定时就已经承载了人们太多的期待，物理学家们太需要基础物理学出现些许的新意，而不是被长久地困在广义相对论和标准模型之中。现在人们只能等待，希望其他实验室进行类似的实验，让时间来判断这个大胆的假设。

（本文写作参考了《自然》杂志和《Quanta Magazine》的报道）