2023-09-26 00:45

科学家们可能即将发现自然界的第五种力量

物理学家透露,由于亚原子粒子的意外摆动,自然界可能存在第五种力的诱人理论得到了支持。

根据目前的认识,自然界有四种基本力,其中三种——电磁力和强核力和弱核力——可以用粒子物理学的标准模型来解释。

然而,该模型并不能解释另一种已知的基本力,引力或暗物质——一种奇怪而神秘的物质,据信占宇宙的27%。

现在,研究人员表示,可能存在另一种,即第五种自然的基本力量。

来自伦敦帝国理工学院的米特什·帕特尔博士说:“我们正在讨论第五种力,因为我们无法用我们所知道的四种力来解释(在这些实验中的)行为。”

这些数据来自美国费米实验室粒子加速器设备的实验,该设备探索了被称为μ子的亚原子粒子——与电子相似,但质量约为电子的200倍——如何在磁场中运动。

帕特尔说,介子的行为有点像儿童的陀螺,绕着磁场的轴线旋转。然而,当μ子移动时,它们会抖动。这种摆动的频率可以用标准模型来预测。

但费米实验室的实验结果似乎与这些预测不符。

伦敦大学学院的乔恩·巴特沃斯教授在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)进行阿特拉斯实验,他说:“这种摆动是由于μ子与磁场相互作用的方式造成的。它们可以在标准模型中非常精确地计算出来,但这种计算涉及量子环,已知粒子出现在这些环中。

“如果测量结果与预测不符,这可能是一个信号,表明环路中出现了一些未知的粒子——例如,它可能是第五种力的载体。”

此前费米实验室的研究也显示了类似的结果。

但帕特尔说,美中不足的是,在最初的结果和新的数据之间,对频率的理论预测的不确定性增加了。

他说,这可能会改变形势。帕特尔说:“也许他们看到的是标准的科学思维,即所谓的标准模型。”

还有其他问题。巴特沃斯说:“如果这种差异得到证实,我们肯定会发现新的、令人兴奋的东西,但我们不能确定它到底是什么。”

“理想情况下,这种差异将为新的理论思想提供信息,从而产生新的预测——例如,我们如何找到携带新力的粒子,如果它就是这样的话。”最后的确认将是建立一个直接发现这种粒子的实验。”

费米实验室的实验并不是唯一表明第五种力可能存在的实验:大型强子对撞机的工作也产生了诱人的发现,尽管是一种不同类型的实验,观察某些粒子衰变时μ子和电子产生的速率。

但从事大型强子对撞机实验的帕特尔说,这些结果现在不那么连贯了。

“它们是不同的实验,测量不同的东西,可能有也可能没有联系,”他说。

巴特沃斯补充说,μ子摆动的频率出乎意料,这是测量结果与标准模型之间存在时间最长、最显著的差异之一。

“测量是一项伟大的成就,现在不太可能出错,”他说。“因此,如果理论预测得到整理,这确实可能是第一个证实第五种力存在的证据——或者是其他奇怪的、超出标准模型的东西。”