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这种新粒子或能解开暗物质之谜

来源: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。

作者:Celine Boehm,Tibor Kibedi

翻译:任雨涵

审校:戴晨

引进来源:The Conversation

引进链接:https://phys.org/news/2019-12-x17-factor-particle-physics-dark.html

 

本文来自:环球科学
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