在放射性衰变测量中发现“第五种力量”的更多证据

铍-8和氦-4放射性衰变的反常现象表明存在一种新的自然力。这是美国一群理论家得出的结论，他们仔细研究了匈牙利核物理学家在过去五年中进行的实验数据。研究小组发现，这两种不同同位素的结果在假设玻色子的质量和相互作用强度上都是一致的，该玻色子将携带长期寻求的第五种力。

粒子物理的标准模型告诉我们，物质粒子通过四种力相互作用：电磁力、强力、弱力和重力。但理论家长期以来一直假设存在其他力量，包括可能调解暗物质粒子与普通物质之间相互作用的“暗光子”。

匈牙利核研究所(ATOMKI)的阿提拉·克拉斯纳霍凯(Attila Krasznahorkay)和他的同事在进行铍实验时，就是在寻找这样的粒子。正如他们在2015年一篇鲜为人知的论文中所报道的那样，他们向锂-7制成的目标发射质子，以产生铍-8的原子核。然后，他们测量了在不稳定的铍同位素随后的衰变中发出的每个电子和正电子的轨迹之间的角度。

如果标准模型正确地描述了这种衰变，那么随着两个粒子之间夹角的增加，发射的电子-正电子对的数量应该会逐渐减少。但Krasznahorkay和他的同事们反而发现，在大约140°的角度上，分布是增加的，或者说是凹凸不平的。他们将此解释为由于铍-8在其衰变的一小部分中衰变为以前未知的粒子(在该粒子随后解体为电子和正电子之前)，计算出新粒子的质量约为17 MeV/c2。

仅仅一年后，加州大学欧文分校的乔纳森·冯和他的同事们发表了一份对克拉斯纳霍凯团队结果的理论分析，其他人才注意到了这一点。冯的团队得出的结论是，如果存在的话，这个有问题的粒子不是暗光子，而是他们所说的“原恐惧性”规范玻色子-一种携带力量的粒子，比质子更容易与电子和中子相互作用。

对于其他理论家来说，这种不同寻常的相互作用让人对所宣称的发现产生了怀疑。更重要的是，自那以后，没有其他实验组重现了这一反常的结果。事实上，瑞士欧洲核子研究组织(CERN)实验室的NA64实验已经缩小了这种粒子可能相互作用强度的范围，因为它寻找了它与电子耦合的证据，但什么也没有找到。

Krasznahorkay和他的同事们并没有被吓倒，他们继续前进。他们在2017年至2018年间重建了探测器，发现140°处的凸起仍然存在。更令人吃惊的是，他们在氦-4的衰变过程中发现115°处也有类似的隆起点。值得注意的是，他们计算出，造成这种反常的粒子质量也将约为17 MeV/c2。

这一结果是在2019年秋季通过arxiv上的预印本报道的，并引发了耸人听闻的头条新闻，宣布诺贝尔奖可能即将到来。然而，冯意识到，要确定最新数据是否真的与旧数据一致，还需要做更多的工作。在同样在arxiv上的一份新的预印本中，他和欧文的两位理论家同事chris verhaaren和tim tait不仅检查了两个结果是否在假定的新玻色子的质量上一致，而且还计算了粒子在每种情况下的相互作用强度。

冯、泰特和维哈伦指出，在这两个实验中，铍-8和氦-4的衰变速度相似。但他们表示，这并不一定意味着新玻色子与每个原子核中的夸克之间的相互作用强度相似，他们指出，每种情况下的激发态都有不同的量子数和不同的激发能量。他们补充说，铍-8的测量是在共振上进行的，而氦-4的测量是在两个共振之间进行的。

在考虑了所有这些因素后，三人得出结论，在这两种情况下，新粒子确实以相同的强度相互作用。具体地说，他们发现，根据他们对铍-8数据的分析，利用原憎恶玻色子的性质计算出的氦-4衰减率与氦数据的衰减率是一致的。更重要的是，他们说，这样接近的协议是不可能与任何其他类型的假设力量载体。冯说：“对于其他被提出用来解释铍数据的新粒子，预测的氦速率可能会相差几个数量级。”“所以，坦率地说，这种和谐是非同寻常的。”

冯和他的同事们说，为了一劳永逸地解决这个问题，其他实验者必须尝试重现结果。但他们也提出了几项新的测量方法，可以提供额外的确认。这些只需要对现有的实验装置进行简单的修改，包括收集数据以更好地理解背景过程，以及测量碳-12的衰变-他们精确地预测了碳-12的速率。他们写道：“如果预测得到证实，这些测量将提供压倒性的证据，证明已经发现了第五种力量。”

其他理论家对新的分析表示欢迎。石溪大学(Stony Brook University)的鲁文·埃西格(Rouven Essig)同意，建立互动强度的一致性很重要，而麻省理工学院(Massachusetts Institute Of Technology)的杰西·泰勒(Jesse Thaler)也鼓励其他实验者加入竞争。事实上，他认为这是至关重要的。他说：“只有来自独立实验的确认才会让我对ATOMKI的结果有很大的信心。”

一个计划测试异常结果的合作项目是总部设在美国的Darklight。这将通过从杰斐逊实验室的CEBAF注入器向钽目标发射电子来寻找17 MeV/c 2玻色子的证据。根据麻省理工学院的联合发言人理查德·米尔纳的说法，假设科学批准和资金即将到来，这项实验应该会在未来几年内产生结果。