X17粒子可能解开暗物质之谜

Attila Krasznahorkay教授和他在ATOMKI(匈牙利德布勒森的核研究所)的同事最近发表了一篇论文，暗示了一种以前不为人知的亚原子粒子X17的存在。该团队在2016年首次报告发现了该粒子的踪迹，现在他们在另一个实验中报告了更多的踪迹。

核物理实验中的异常现象可能显示出一种新力量的迹象。图片来源:Jw210913。

如果结果得到证实，X17粒子可能有助于解释暗物质，科学家认为暗物质占宇宙质量的80%以上，它可能是“第五种力”的载体，而这四种力在标准物理模型中被认为是四种力:重力、电磁力、弱核力和强核力。

打碎原子

大多数寻找新粒子的研究人员使用巨大的加速器，以高速将亚原子粒子击碎，然后观察爆炸的结果。其中最大的加速器是欧洲的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)， 2012年在那里发现了希格斯玻色子(Higgs boson)。希格斯玻色子是科学家们寻找了几十年的粒子。

Krasznahorkay教授和他的合作者采取了一种不同的方法，他们进行了一些小实验，在不同原子的原子核中发射被称为质子的亚原子粒子。

2016年，他们研究了铍-8原子核从高能态转变为低能态时产生的电子对和正电子对。

他们发现，当电子和正电子之间存在较大的夹角时，他们所期望看到的结果会有偏差，如果原子核释放出一种未知粒子，这种异常现象可以得到最好的解释，这种粒子后来“分裂”成一个电子和一个正电子。

这个粒子必须是玻色子，也就是携带力的粒子，它的质量大约是1700万电子伏特，这相当于34个电子的重量，对于这样的粒子来说是相当轻的。(例如，希格斯玻色子的质量是它的1万多倍。)由于它的质量，Krasznahorkay教授和他的团队将这种假设粒子命名为X17。现在他们已经观察到氦-4原子核中一些奇怪的行为，这也可以用X17的存在来解释。

这一最新的异常具有统计学意义——7西格玛置信度，这意味着结果偶然发生的可能性非常小。这远远超过了通常新发现的5西格玛标准，所以结果似乎表明这里有一些新的物理学。

检查和复查

然而，这个新发现和2016年的发现遭到了物理学界的质疑——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会有这样一个新的轻量玻色子存在呢?首先，这类实验很困难，数据分析也很困难，信号可以出现也可以消失。例如，早在2004年，德布勒森的研究小组就发现了证据，他们认为可能存在更轻的玻色子，但当他们重复实验时，信号消失了。

其次，我们需要确保X17的存在与其他实验的结果是一致的。在这种情况下，2016年铍的结果和氦的新结果都可以用X17的存在来解释，但是仍然需要一个独立团体的独立检查。

Krasznahorkay教授和他的团队于2012年在意大利的一个研讨会上首次报告了一种新的玻色子的微弱证据(在3西格玛水平上)。

从那时起，该小组使用升级的设备重复了实验，并成功地重现了铍-8的结果，这是令人放心的，正如氦-4的新结果一样。这些新结果在堪培拉澳大利亚国立大学的2019年HIAS研讨会上公布。

这和暗物质有什么关系?

科学家们相信宇宙中的大部分物质是我们看不见的，所谓的暗物质只会与正常物质发生非常微弱的相互作用，我们可以从它对遥远的恒星和星系的引力效应中推断出它的存在，但它从未在实验室中被探测到。

X17在哪呢?

在2003年，在我们中的一个(Boehm)与Pierre Fayet合著的一项研究中，证明了像X17这样的粒子是可能存在的，它将在暗物质粒子之间传递力，就像光子或光粒子对普通物质所做的那样。

在我提出的一个设想中，轻量级暗物质粒子有时可以产生电子和正电子对，其方式与Krasznahorkay教授的团队所见类似。

这种情况导致了许多低能量实验中的搜索，排除了很多可能性，然而，X17还没有被排除——在这种情况下，德布勒森小组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

尽管德布勒森的研究结果非常有趣，但物理学家们在得到独立的证实之前，不会相信真的找到了一种新的粒子。

因此，我们可以期待世界各地寻找一种新的轻量玻色子的实验开始寻找X17及其与电子和正电子对相互作用的证据。

如果得到证实，下一个发现可能是暗物质粒子本身。

A.J. Krasznahorkay等人，2019年。支持假设X17粒子存在的新证据。arXiv: 1910.10459

A.J. Krasznahorkay等人，2016在8Be中观察异常的内部电子对的产生：一个光的、中性的玻色子的可能指示。

作者:Celine Boehm，悉尼大学物理学院院长，和Tibor Kibedi，澳大利亚国立大学核物理学高级研究员。

这篇文章最初发表在The Conversation上。

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