宇宙由四種基本力控制：引力、電磁力以及強核力和弱核力。這些力量驅(qū)動著我們周圍看到的一切事物的運動和行為。但在過去幾年里，有越來越多的證據(jù)表明存在第五種基本力量。新的研究還沒有發(fā)現(xiàn)這第五種力量，但它確實表明我們?nèi)匀粵]有完全理解這些宇宙力量。
基本力是粒子物理標準模型的一部分。這個模型描述了所有的量子粒子，包括電子、質(zhì)子、反物質(zhì)等?？淇?、中微子和希格斯玻色子都是模型的一部分。
模型中的“力”一詞有點用詞不當。在標準模型中，每一個力都是一種載體玻色子的結果。光子是電磁波的載體玻色子。膠子是強相互作用的載體玻色子，而W和Z是弱相互作用的載體玻色子。從技術上講，引力不是標準模型的一部分，但它假設量子引力有一個被稱為引力子的玻色子。我們?nèi)匀粵]有完全理解量子引力，但有一種觀點認為，引力可以與標準模型相結合，從而產(chǎn)生一個大統(tǒng)一理論(GUT)。
我們發(fā)現(xiàn)的每個粒子都是標準模型的一部分。這些粒子的行為與模型極為吻合?？茖W家們一直在尋找標準模型之外的粒子，但到目前為止，他們還沒有發(fā)現(xiàn)任何粒子。標準模型是科學理解的勝利。它是量子物理學的頂峰。
但我們已經(jīng)開始了解到它有一些嚴重的問題。
首先，我們現(xiàn)在知道標準模型不能像我們想的那樣與引力結合。在標準模型中，基本力在更高的能量級別上“統(tǒng)一”。電磁和弱電結合成電弱，而電弱與強電結合成為電子核力。在極高的能量下，原子核力和引力應該統(tǒng)一起來。粒子物理學的實驗表明，粒子的統(tǒng)一能是不匹配的。
更麻煩的是暗物質(zhì)的問題。暗物質(zhì)最初被提出是為了解釋為什么星系外邊緣的恒星和氣體的運動速度比引力預測的要快。要么我們的引力理論是錯誤的，要么星系中一定有某種看不見的(暗)質(zhì)量。在過去的50年里，暗物質(zhì)存在的證據(jù)變得非常有力。我們已經(jīng)觀察到暗物質(zhì)是如何聚集星系的，它是如何在特定星系中分布的，以及它是如何表現(xiàn)的。我們知道它不與普通物質(zhì)或自身發(fā)生強烈的相互作用，它構成了大多數(shù)星系的大部分質(zhì)量。
但是在標準模型中沒有粒子可以構成暗物質(zhì)。暗物質(zhì)可能是由諸如小黑洞之類的物質(zhì)構成的，但天文數(shù)據(jù)并不支持這一觀點。暗物質(zhì)很可能是由某種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子構成的，這是標準模型無法預測的。
還有暗能量。對遙遠星系的詳細觀測表明，宇宙正在以越來越快的速度膨脹。似乎有某種能量在驅(qū)動著這個過程，但我們不知道它是如何做到的。這種加速可能是空間和時間結構的結果，一種宇宙常數(shù)導致宇宙膨脹。這可能是由某種尚未被發(fā)現(xiàn)的新力量驅(qū)動的。無論暗能量是什么，它占宇宙的三分之二以上。
所有這些都指向一個事實，即標準模型充其量是不完整的。在宇宙運行的方式中，有一些東西是我們根本缺失的。人們提出了很多想法來修正標準模型，從超對稱到尚未發(fā)現(xiàn)的夸克，但有一個想法是存在第五種基本力。這個力將會有它自己的載體玻色子以及我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的新粒子。
第五種力也會與我們所觀察到的粒子發(fā)生微妙的相互作用，這與標準模型相矛盾。這給我們帶來了一篇新論文，聲稱有證據(jù)證明這種相互作用。
這篇論文研究了氦-4原子核衰變的異常，它建立在對鈹-8衰變的早期研究之上。鈹-8有一個不穩(wěn)定的原子核，它衰變?yōu)閮蓚€氦-4原子核。2016年，研究小組發(fā)現(xiàn)鈹-8的衰變似乎與標準模型略有不同。當原子核處于激發(fā)態(tài)時，它在衰變時會發(fā)出一對電子-正電子對。在較大角度觀測到的對的數(shù)量高于標準模型的預測，這被稱為原子異常。
對于這種異?，F(xiàn)象有很多可能的解釋，包括實驗誤差，但一種解釋是它是由名為X17的玻色子引起的。它將是第五種基本力的載體玻色子，其質(zhì)量為17兆電子伏。在這篇新論文中，研究小組發(fā)現(xiàn)了氦-4衰變的類似差異。X17粒子也可以解釋這種異常現(xiàn)象。
第五種力量可能存在，但我們還沒有找到它。我們所知道的是，標準模型并不完全正確，這意味著一些非常有趣的事情正在等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
