物理學家認為他們剛偵測到了第五種自然基本作用力!

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有時物理學複雜得令人窒息,但是最直接明瞭的部分莫過於全宇宙在4種基本作用力控制下運作:重力 或稱萬有引力(the gravitational force)電磁力(the electromagnetic force)、強作用力(the strong nuclear force)、弱作用力(the weak nuclear force)。

但是如今匈牙利物理學家認為他們可能已經找到證據,可證實大自然有第五種神秘基本作用力的存在。如果是真的話,我們可能要好好想想,原本我們是怎麼理解宇宙運作的。

在我們開始進入正題之前,我們先回來談談以前的四種基本作用力,因為這四種基本作用力相當重要。作為物理學標準模型的一部分,這四種基本作用力解釋所有宇宙可見物體行為。

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聊聊基本作用力

從範圍最廣的重力開始談起,重力負責撐住星球上所有重量,電磁力則負責凝聚我們的分子。

Ryan F. Mandelbaum在<<大眾科學(Popular Science)雜誌中寫道:「另外兩種等級最低的作用力分別為凝聚原子核的強作用力,以及幫助原子通過放射性衰變的弱作用力。這些基本作用力或多或少,似乎能解釋我們能觀察到的物理現象。」

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第五基本作用力的證據,是在去年被匈牙利科學院研究團隊注意到的,當他們對鋰7(lithium-7)發射質子,從掉落的輻射性微塵中偵測到一個全新極輕的玻色子,只比電子重34倍。

聽起來很讓人興奮吧!但是大部分的人都沒有好好看過這份研究報告,一直到美國一個研究團隊上個月月底在arXiv(註)發表他們自己的數據分析報告。

這個由來自美國加州大學爾灣分校Jonathan Feng領導的團隊,其展示出來的數據與以往實驗結果並不衝突,且計算過後發現,新玻色子實際上可能帶有科學界剛開始感到興趣的第五基本作用力。

然而這份報告還未經過同行評審,所以我們也不用興奮得太早,現在的狀況只是因為這份報告已上傳到網路上,能讓其他物理學家細細研察這份報告,並且加上他們觀察後的發現。

隨著<<自然>>雜誌的報導,全世界的研究人員爭先參與主導後續實驗研究,以證實匈牙利科學院的發現是否屬實,我們希望再過一年左右能看到結果。

但是你要是跟我一樣,你大概會想,一個新玻色子跟自然界第五種基本作用力有何關聯吧?

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最新研究

這已不是第一次有研究人員宣稱發現第五種基本作用力了,維基百科上也找的到頁面說明第五種基本作用力的可能性,但是人們開始熱衷於研究第五種基本作用力是近十年才發生的事。許多科學家認為也可能是另外一種名叫暗光子(Dark Photon)的微塵,這種微塵可攜帶新作用力,也可能可以詮釋暗物質(Dark matter)的存在,肉眼是看不見暗物質的,而80%宇宙質量都由這種物質構成。

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這也是物理學家Attila Krasznahorkay領導的匈牙利研究團隊正在尋找的答案。因此,他們對非常細微的鋰7(lithium-7)發射質子,兩者產生碰撞,連帶生成不穩定的鈹8(beryllium-8)原子核,最後衰變成數對電子和正電子。

Edwin Cartlidge在<<自然>>雜誌寫道:「根據標準模型,物理學家應可觀察到因為電子與負電子掉落數量,因為電子與負電子增加,兩者軌道角度分離。」

但是這並非匈牙利研究團隊看到的,在140度角左右,這幾對電子及負電子彈起來,在掉到更高角度之前,製造出微小碰撞。

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根據Attila Krasznahorkay及其團隊,這個碰撞證明了新物質的存在。經過計算,新物質的質量約17兆電子伏特,不是原本預期的暗光子,這完全可以說明這是另外一種東西。

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Attila Krasznahorkay告訴<<自然>>雜誌:「我們對於實驗結果非常有信心。」他表示出現這種不規則碰撞的機率只有兩千億分之一,不過值得注意的是,其他研究團隊還未證實此說法。

而美國加州大學爾灣分校Jonathan Feng領導的團隊並未重做一次相同實驗,他們純粹用計算證實,至少理論上,Attila Krasznahorkay假設探測到的極輕玻色子足以擁有第五種基本作用力這件事是對的。

就像其他優秀的科學家一樣,物理學家們至今對於該結果仍然相當懷疑,尤其是像極輕玻色子這種沒人想到會發現的東西。

來自美國麻省理工學院的Jesse Thaler雖未參與任何相關研究,她向<<自然>>雜誌表示:「如果我可以隨意評論原子標準模型,這百分之百不會是我第一次會寫下的東西。」但是她承認對於接下來的研究相當關心。她接著說:「也許這是我們第一次瞥見可見宇宙以外的物理世界。」

如果全世界的研究人員對此議題打破砂鍋問到底,讓我們未來一年內可以看到更多可分析的數據,很有可能我們不用等太久,就能發現是否真有第五基本作用力。

註:arXiv是一個收集物理學、數學、計算機科學與生物學論文預印本的網站。

來源: Sciencealert