第五种基本力被发现了吗,小小定律

(王劈柴/编译)来自匈牙利的科学家在实验中观测到了放射性衰变中的一个异常现象,这或许意味着一种前所未知的自然界第五大基本力的存在——如果这项发现是正确的话。

《欢乐颂》里有个人物的网名是“奇点”。电视剧版里,片中人物念做qí dian。

对于我来说,科研最本真的快乐,就是能够找出一条新的定律。

【高能物理预警】下文有大量玻色子出没,记不住粒子名字的可以先看太长不看版Q&A

Q:是大新闻吗?
A:如果他们没搞错,那就是大新闻,顶级的大新闻。其他物理学家正在验证他们有没有搞错。

Q:到底有多大?
A:就像第一个希腊人发现原来世界不光是由地水火风组成的。

澳门威利斯人手机版,Q:(小声)那应该是啥
A:世界由很多基本粒子组成,但粒子间还有相互作用力。过去我们以为一共只有四种力。引力让地球不散架,电磁力让人不散架,强力让原子核不散架,弱力做一些别的奇怪的事情。现在,我们可能找到了第五种作用力。
澳门威利斯人手机版 1目前物理学界公认的四大基本力。图片来源:phdcomics

Q:那科学家是不是吓尿了?现代物理学是不是全错了?
A:其实并没有,因为我们已经知道物理学是不完整的。比如宇宙里有个东西叫做暗物质,它占了宇宙的80%质量。看起来它有可能就受到了一种额外的未知的力(但也可能没有)。所以过去这几年其实研究者一直在找有没有第五种力。

Q:而现在找到了?
A:也许吧。物理学家是观察到了奇怪的现象,针对它的验证也将在一年内完成,但是这个现象就算是真的,也不一定是因为第五种力。

Q:你们物理学家咋这么磨叽啊,就不能一次给个准信儿?
A:那得怪自然界的秘密藏太深,报道上出了偏差可负不起责任。

匈牙利国家科学院核子研究所的阿提拉•卡撒兹纳霍凯(Attila Krasznahorkay)和其同事首先于2015年将他们的惊人结果发表在了arXiv论文预印本网站上,又于今年一月正式发表在了《物理评论快报》上。这篇论文认为存在一种新的轻玻色子,只比电子重34倍,但这一报告没有引起大规模关注。

接下来,一组美国理论物理学家于4月25日在arXiv上发表了自己对这一结果的分析,使这项发现得到了更广泛的关注。他们证明,这些数据与之前的实验都不冲突,并得出结论称这有可能是第五基本作用力存在的证据。“我们让它变得相对不那么隐晦了,”这份arXiv报告的第一作者、加州大学欧文分校的冯孝仁这样说。

四天之后,冯的两位同事在SLAC国家加速实验室的交流会上讨论了这项发现。来自托马斯•杰斐逊国家加速器实验装置的物理学家博格丹•沃切豪斯基(Bogdan Wojtsekhowski)说,会上的研究者对此发现持怀疑态度, 但是依然感到很兴奋。 “交流会的许多与会者正在构思不同的方法来检验这个发现,”他说。欧洲和美国的团队表示,他们应该能在大约一年以内证实或证伪匈牙利的实验结果。

哎等等,有网友要说了,这个字不是念jī吗?不是在说黑洞的核心,大爆炸的起源,或者科技发展到人类无法想象的那个场景吗?

何其有幸,我梦想成真了。

寻找新的基本力

引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力是物理学家已知的四种基本力,但研究者也曾提出过许多目前尚未证实的、关于第五种力的推断。在过去的十年间,由于粒子物理标准模型难以解释暗物质——一种被认为占宇宙质量80%以上的不可见物质,对新基本力的研究陡然增多。理论学家提出了各种异常物质(exotic-matter)粒子和载力子(force-carrier),包括 “暗光子”——这是在类比能传递电磁力的正常光子。

卡撒兹纳霍凯称,他的团队当时在寻找的就是这种“暗光子”——但冯的团队认为他们找到的是另一种东西。匈牙利团队用质子轰击锂-7薄靶,制造出不稳定的铍-8核,铍-8核会发生衰变,并释放成对的电子和正电子。根据标准模型,随着电子和正电子轨迹之间的角度增加,物理学家观测到的正负电子对的数量应该降低。但研究团队报道称,在二者成大约140°角时,这样的正负电子对数量突增——在正负电子对随角度变化的曲线上制造了一个“凸起”——当角度继续增大,正负电子对的数量又重新降低。

澳门威利斯人手机版 2在140度左右,释放出的正负电子对数量增加了。图片来源:arxiv.org/abs/1504.01527v1

卡撒兹纳霍说,这个“凸起”有力地证明,不稳定的铍-8核中有一小部分以一种新粒子的形式释放了多余的能量,这种新粒子进一步衰变成了正负电子对。他和同事计算得出,这种粒子的质量大约是17兆电子伏(MeV)。

“我们对我们的实验结果非常有信心,”卡撒兹纳霍说。他说,研究团队在过去的三年中将测试重复了许多遍,并且排除了所有可以想象的误差。研究团队说,如果真的排除了误差,那么观测到如此极端的现象但却没有异常的现象发生的概率是两千亿分之一。

冯和他的同事则认为这个17MeV的粒子不是暗光子。在对异常现象进行分析,并寻找了与前人的实验结果相一致的特征之后,冯的团队得出结论,认为这种粒子可能是一种“疏质子X玻色子”(protophobic X boson)。这种粒子传递的可能是一种只在原子核宽度数倍以内的距离中起作用的极短程力。暗光子(和常规光子一样)与电子和质子耦合,而这种新的玻色子则会与电子和中子耦合。冯说,他的团队目前正在研究其他可以解释这项异常的粒子,但是疏质子玻色子是“最直接的可能性”。

是,来源是那个来源。但这个字该念啥,还不是个很简单的事情。

快乐的费曼先生

费曼之所以被称为最具传奇色彩之一的物理学家,可能要归功于他的“路径积分”和与之伴生而来的“费曼图”。而一提起费曼最大的物理学贡献,大家也会不约而同的认为是“路径积分”。我也是这么认为的。

不过,费曼可能并不这么认为。他觉得自己在量子理论的“路径积分”上的基本贡献,主要是提供了一种新的计算方法。而他对自己在超流等研究工作上的评价是:仅仅是对已经发现的物理现象的解释。那么,费曼觉得自己的什么工作最重要呢?

他认为:是弱相互作用的“普适V-A理论” [1]。

澳门威利斯人手机版 3费曼:我最喜欢的工作,是我自己找出的一条规律。图片来源:findagrave.com

这个工作由费曼和盖尔曼合作完成,并发表于1958年的美国《物理评论》。

费曼在完成弱相互作用的“普适V-A理论”之后,非常的沾沾自喜,他认为“这是我第一次发现一条新定律”。只有这一次,才真正满足了他从小要找出物理学的规律,揭示自然之谜的梦想 [1]。

费曼的梦想是实现了。那么我的梦想呢?

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