圖:Serdarbayraktar/iStock

宇宙中的四種基本力分別是重力、電磁力、強核力、弱核力。現在,物理學家宣稱發現氦原子中的第五種物理力量的運作。這不是研究人員首次宣稱發現這種物理力量。

首度發現

2016 年,匈牙利科學院(Hungary Academy of Sciences)核能研究機構的阿提拉·克拉斯納霍凱博士(Attila Krasznahorkay)及同事在分析激發態的鈹-8 隨著衰退而放出光的表現後,發現一種詭異的現象。

若是光能量足夠,就會轉變成一個電子跟正電子(positron),這兩種粒子會在迅速離開前,以可預測的角度彼此分離。根據能量守恆定律,至少以統計上來說,隨著產生這兩種粒子的光能量增加,兩種粒子間的分離角度會變小。但奇怪的是,研究團隊看到結果並非如此。他們觀察不同分離角度下電子與正電子對的數量後,發現在超過 140 度的分離角度下,出現出乎預料多的電子對。

該研究結果很快就吸引到全球研究人員的注意,這些研究人員認為造成此異常現象可能是一種全新的粒子,其特性顯示必須是一種全新的基本玻色子(boson)才可能發生這種現象。

新基本粒子

這不是隨意的臆測。科學家目前知道四種基本力,其中有三種力量具有攜帶吸引力及排斥力訊息的玻色子。至於重力是由一種假設性粒子「重力子」(gravition)所攜帶,但科學家目前無法偵測到這種粒子。

而這種新的玻色子因為獨特的質量(17 兆電子伏特,或大約電子的 33 倍)及極短的生命週期,不可能是攜帶這四種已知基本力的粒子其中之一。因此,所有的跡象都指出這種玻色子是第五種基本力的攜帶者。

不過,找到新的粒子在物理界一向是大事件,需要經過許多審查及多次重複的實驗。然而,克拉斯納霍凱博士及其團隊過去幾年始終持續進行相關的研究。他們從 2016 年的發現之後,將焦點從鈹-8 的衰退轉成激發態氦原子的狀態轉變。

第二次現身

與他們先前的研究結果相似,研究人員發現成對的電子及正電子以不符合現有模型的角度分離,而這次的分離角度接近 115 度。研究團隊計算後發現,氦的原子核可能也產生了質量不到 17 兆電子伏特的短壽命玻色子。研究人員將其命名為 X17。不過,X17 要成為物質理論模型上的正式粒子還言之過早。

但是,若是這個奇怪的玻色子 X17 不單單只是由於某種實驗性現象而短暫引起的幻覺,它與中子相互作用的事實,正暗示了這種力的作用與傳統四種基本力不一樣。

由於暗物質至今仍然是物理學上的大謎題,因此若發現一種嶄新的基本粒子,可能就足以解決科學家們的疑惑,連結人類看得到的物質與看不到的物質(即暗物質)。事實上,許多暗物質實驗一直專注於找尋 17 兆伏特的粒子。目前,相關研究雖然沒有進展,但是由於還有很多探索空間,要排除任何可能仍言之過早。

參考資料:

  1. Mcraw, M., (2019, November 20). Physicists Claim They’ve Found Even More Evidence of a New Force of Nature. Science Alert
  2. Krasznahorkay, A. J. et al., (2016, January 26). Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Indication of a Light, Neutral Boson. Physical Review Letters. doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.042501
  3. Krasznahorkay, A. J. et al., (2016, October 23). New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle. Cornell University. arXiv:1910.10459
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