第五种相互作用力，是物理学革命，还是又一个乌龙？
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前段时间，“第五种相互作用力”轰动国际物理学圈，也刷屏了微信朋友圈：匈牙利的核物理学家在PRL发表论文称，处于激发态的铍-8原子衰变时存在异常现象，意味着一种新粒子的存在；而加州大学的华人物理学家则认为这种粒子能施加自然界的第五种相互作用力，引起广泛关注。 如果证实，诺贝尔奖没有悬念。但是，稍微深究一下，却发现这也可能是一个超级乌龙。即便不做物理，这段研究也深具启迪。。。
匈牙利核研究所的实验装置，被用于探测新粒子的痕迹
去年匈牙利科学院核研究所（Atomki）的物理学家发现处于激发态的铍-8原子衰变时存在异常现象：衰减产生的电子-正电子对显示特定的分离角度，超乎预料。在核物理学家眼中，这一数据确凿无疑，无效的概率小于一千亿分之一！ 他们的文章发表在PRL上，声称这意味着一种新的基本粒子。不过最初几个月，没有什么人注意到这个工作。
到了今年四月，情况出现了改变。加州大学尔湾分校的理论物理学家冯孝仁和同事们在预印本网站arXiv贴出了一篇论文，引发热烈的讨论。尔湾研究组认为铍-8的反常衰变能被一种前所未知的“矢量玻色子”完美诠释，而这种粒子能施加自然界的第五种相互作用力！
这个设想中的玻色子引起物理学家的广泛兴趣，有很多人正着手进行进一步检验。如果这个粒子得到证实，“诺贝尔奖毫无悬念”，麻省理工学院理论粒子物理学家Jesse Thaler说，“并会完全颠覆我们对宇宙的认识”。要知道，2012年所发现的希格斯玻色子只是标准模型中所缺失的一环，并很快获得诺贝尔奖。而如今这个前所未知的玻色子，以及它所带来的力，将会引导我们找到更终极的万物理论 -- 物理学家极度渴望扩展标准模型，以解释暗物质，中微子能量，统一各种相互作用，并破解其他谜团。
“这么多年来，在经历了各种所谓异常现象的起起落落之后，我对于实验异常有着非常高的接受标准，” 冯孝仁教授说，“而这一次，我从未如此兴奋过！” 纽约石溪大学的理论粒子物理学家Rouven Essig也说：“这件事如果是真的，就太奇妙了，它将改写物理学！”
匈牙利Atomki研究组在2015年4月将其论文贴在预印本网站上，最初没有得到任何的关注。2015年12月，Bartosz Fornal，加州大学尔湾分校的一位博士后，通过搜索发现这篇文章，立刻引起了冯孝仁教授团队的兴趣。这么一个重要的发现，居然很长一段时间无声无息，冯孝仁将其归结于核物理与粒子物理之间的文化差异：核物理学家搞不明白怎么回事，因为发现新粒子不是他们所长，而粒子物理学家则根本不读实验核物理分类下的预印本论文。
尔湾研究组花了几个月时间把核物理的这一发现翻译为粒子物理学的语言，并确认与粒子物理学实验并无冲突。今年4月，他们将自己的研究成果贴到了arXiv.org网站上，并对Atomki的数据进行了如下解释：一个铍-8原子核发生衰变时，将会发出能量和一个单位的量子自旋 -- 几乎总是通过光子的形式发射出来。但是，冯和同事们猜测，在每一百万个光子的衰减事件中，会出现一次由铍-8产生出的特殊矢量玻色子X。这种X粒子带来新的、第五种基本作用力，超出电磁、引力，和强、弱相互作用的范畴。这个缓慢移动的X玻色子携带着16.7 MeV的质量，衰变为电子-正电子对。其动量比光子衰变的电子-正电子对小，因而将会分布在更大的角度范围内 -- 实验测得其分布角为140度。
相关的一个实验已经排除了另一个粒子的可能性 -- 一个16.7MeV的“暗光子”。这个暗光子同已知粒子的相互作用与通常的光子是一样的。有意思的是，为了产生重的希格斯玻色子，我们需要世界上最大的超级对撞机。而如今这个假设的玻色子很轻，只有电子质量的34倍，应该很容易在实验中出现。因此，许多专家都对此保持怀疑的态度：如果它真的存在的话，为什么这么久都没有被发现呢？ 对此，在尔湾研究组做学术休假的肯德基大学Susan Gardner教授也有说法，因为它与质子和中子的相互作用与光子正好相反。X玻色子只跟中子相互作用，而不跟质子作用，即所谓的疏质子性。而研究者们也开始在欧洲大型强子对撞机的实验数据中寻找疏质子性玻色子的证据。
“我很清楚，声称第五种力存在是石破天惊的，” 冯孝仁说， “我们显然需要更进一步的核实。”
不过在各路英雄纷纷追逐X玻色子这个时髦马车的时候，密西根州立大学的Oscar Naviliat-Cuncic，一位核物理学家，保持着清醒。他仔细检查了匈牙利组的过往记录，进而产生了很大的疑问，“在我看来，PRL能发表他们的工作简直是难以想象的！” Naviliat-Cuncic说，“人们如此兴高采烈，却没有人去读一读匈牙利组以前的工作。” 原来，这个研究组历来有发现所谓新粒子的传统。
在2008，2012和2015年，匈牙利的这个研究组在铍-8的实验上已经发表了3篇会议论文。第一篇论文宣称在质量12MeV附近存在一种新的玻色子，第二篇论文所发现的异常现象对应于质量为13.45MeV的玻色子，而第三篇文章就是发表在PRL上论文的初始版。由于实验系统的升级，头两篇论文所描述的异常凸起现象在最后一篇论文的数据中消失了。“他们最新的论文说玻色子的质量为16.7Mev，却没有解释以前数据的问题。”Naviliat-Cuncic说，“天知道他们测出的这个数值在未来4年会不会又变了呢？”
在论文和一份电子邮件中，匈牙利研究组对荷兰物理学家Fokke de Boer表示谢意 -- 他在2001年到2005年期间领导着这个实验。Naviliat-Cuncic经过调查发现，在过去几十年，De Boer不断报道原子核衰变中的异常现象，并把这归咎于未知的玻色子。但是他从未重复出自己的实验。在匈牙利Atomki期间，De Boer在铍、碳和氧的核衰变中都发现了异常。他认为，这表明有超过10种候选的玻色子。
可是当研究组把仪器升级之后，这些玻色子都消失了。Atomki如今的项目负责人Attila Krasznahorkay说，“De Boer对此很不高兴，因为我们没能用新的谱仪确认他以前的结果。”虽然De Boer的发现没有得到证实，这个设备微调之后却带来了新的机遇。Krasznahorkay说：“这一次，我们对这个发现非常有信心。” 而De Boer则在2010年去世，并没有参与到新的研究只中。
被追问之下，Krasznahorkay并没能给出之前异常消失的原因。他没有提及12 Mev的凸起，并声称13.45MeV处的凸起实际上就是16.7MeV，而以前的测量不准确。但是Naviliat-Cuncic比较了两个尖峰之后，认为这个可能性很小。华盛顿大学核物理与粒子物理学家Martin Savage也认为这种解释是说不通的。即使这个解释没问题，13.45MeV处的测量错误也让人担忧，“一个研究组宣布发现某种新的粒子时，需要理解与分析所有测量系统的误差，”Savage说，“只要12 Mev的信号存在疑问，他们就应该精确地解释这个信号的由来，以及为什么后来又消失了，这样才能表明他们对自己的仪器有充分的理解。”
Naviliat-Cuncic认为最不可思议的是，Krasznahorkay过去十年从不报道没有发现新玻色子的实验数据，并把这样的实验当做失败，“这难道不是赤裸裸的选择性偏见么？” Thaler则解释道，“粒子物理学的黄金法则是盲法分析：你首先决定要测量什么，然后不管最终结果如何都反复地核实，最后报告所有的测量结果。” 不这样做的话，“就很像优选证据，有可能导致人为操纵出的虚假正面结果。”
面对发表这一论文的质疑，PRL的副主编Kevin Dusling表示审稿过程是保密的，“但同行评议认为这个工作是有趣且重要的，也没有明显的错误。”
尔湾的物理学家则指出，匈牙利组的实验设施在2012年实验之后进行了升级。此外，这个16.7 MeV的尖峰比起以前的尖峰来说更有说服力，也更像是一个粒子。更重要的是，他们用两种办法算出玻色子的质量，与实验完全相符：第一种是通过电子和正电子对的140夹角，第二种是通过他们的复合能量。“对我而言，这是最有说服力的证据，足够了。” Gardner说，“那篇论文看起来没有明显的错误，而我们也找到一个理论解释，可以把这个实验结果与以前世界上所有相关的探索都统一起来。” 无论如何，冯补充道，“我们已经确定了许多可以检验这个结果的实验，因此得到最终的答案只是一个时间问题。”
存在新的玻色子和第五种基本力是一个石破天惊的发现。匈牙利物理学家们让人存疑的报告并不具有足够的说服力。这些科学家们是否会在他们的第三次尝试中，偶然掀起一场物理学的革命呢？“他们的历史让人怀疑，” Thaler说，“但是对这个异常突起的后续研究肯定会继续进行，而且激动人心。”
原文链接 https://www.quantamagazine.org/20160607-new-boson-claim-faces-scrutiny/
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