这种新粒子或能解开暗物质之谜

作者：Celine Boehm，Tibor Kibedi 来源：中国数字科技馆-环球科学

核物理实验中的异常现象可能显示了新的作用力存在的迹象。 （图片来源：Shutterstock）

近期，来自匈牙利的科学家发表了一篇论文表示，有迹象表明有一种以前未知的亚原子粒子存在。该团队在2016年首次宣布发现了这种粒子的痕迹，而现在，他们宣布在另一个不同的实验中发现了更多的痕迹。

如果实验结果得到证实，这种被称为X17的粒子可以帮助解释暗物质——科学家认为占据宇宙质量超过80%的一种神秘物质。X17还可能成为构成标准模型的四种基本作用力（重力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力）之外的“第五种作用力”的媒介粒子。

粉碎原子

大多数寻找新粒子的研究者都是利用巨大的加速器，粉碎高速运动的亚原子粒子，然后观察爆炸产生的结果。最大的加速器是欧洲的大型强子对撞机（Large Hadron Collider），2012年，科学家寻找多年的希格斯玻色子就在这里被发现。

Attila J. Krasznahorkay及其同事在ATOMKI（the Institute of Nuclear Research in Debrecen，匈牙利德布勒森核研究所）采取了一种不同的方法，进行更小型的实验，激发不同原子核中被称为质子的亚原子。

2016年，他们观察了当铍-8原子核从高能态跃迁到低能态时，产生的成对电子和正电子（电子的反物质）。

他们发现当电子和正电子呈大角度时，实验结果和预期相比出现了一个偏差。对这个异常现象最好的解释，就是原子核先释放了一个未知的粒子，随后这个粒子分裂成一个电子和一个正电子。

这个粒子必须是一个玻色子——一种传递作用力的粒子，而它的质量大约是1700万电子伏特。这大概是电子质量的34倍，对一个这样的粒子来说，是相当轻的。（比如，希格斯玻色子比电子重了1万多倍。）

由于它的质量，Krasznahorkay及其团队称这个假设的粒子为X17粒子。现在他们在氦-4原子核中观测到了一些奇异的行为，也可以用来解释X17的存在。

最新的异常现象在统计上是显著的——达到了7σ置信水平，这意味着只有极小的可能性发生的是一个偶然现象。这远远超过了通常对一个新发现的5σ标准，所以该结果暗示着这里存在一些新的物理机制。

检查，再检查

然而，新宣布的结果和2016年宣布的结果遭受着物理学界的质疑，这种质疑在2012年两个团队同时宣布发现希格斯玻色子时并不存在。

那么，为什么物理学家很难相信一种轻量级玻色子的存在呢？

新研究由Attila Krasznahorkay（右）领导。 （图片来源：Attila Krasznahorkay）

首先，这种实验很困难，分析数据也很困难。信号可能出现，也可能消失。比如，在2004年，来自Debrecen的团队认为他们发现了更轻的玻色子存在的证据，但当他们重复实验时，信号却消失了。

其次，需要确定X17的存在与其他实验结果是相一致的。在这种情况下，2016年铍的结果和新的氦结果都可由X17的存在来解释，但独立小组的独立检验仍是必要的。

2012年，在意大利的一个研讨会上，Krasznahorkay及其团队首次报告了新玻色子存在的微弱证据（在3σ水平）。

由于之后他们利用升级的装置重复了实验，并成功再次产生了铍-8的结果，所以这是令人放心的，就像氦-4的新结果一样。这些新结果在位于堪培拉的澳大利亚国立大学（Australian National University）HIAS 2019研讨会上被提出。

这和暗物质有什么关系？

科学家们相信宇宙中的大多数物质对我们而言是不可见的。所谓的暗物质只与正常物质有非常微弱的相互作用。我们可以从遥远恒星和星系的引力效应中推断出暗物质的存在，但它从未在实验室中被探测到过。

那么X17从何而来？

2003年，我们中的一员（Boehm）在其独立工作和与Pierre Fayet合作的工作中，证明了像X17这样的粒子可以存在。它能够在暗物质粒子间传递作用力，就像光子或叫光的粒子对普通物质做的那样。

在我提出的其中一个设想中，轻量级暗物质粒子有时可以产生成对的电子和正电子，其方式类似于Krasznahorkay小组发现的那样。

这种设想导致了许多低能实验中的搜索，于是排除了很多可能性。然而，X17还没有被排除，在这种情况下，Debrecen团队可能确实发现了暗物质粒子是如何与我们的世界交流的。

需要更多的证据

尽管来自Debrecen的结果非常有趣，但在得到独立确认之前，物理学界并不能确信一个新粒子确实被发现了。

所以我们可以期待全世界很多正在寻找新的轻量级玻色子的实验，会开始寻找X17的存在及其与成对电子和正电子相互作用的证据。

如果结果得到证实，下一个发现可能就是暗物质粒子本身。