Under en tid har fysiker förstått att alla kända fenomen i universum styrs av fyra grundläggande krafter. Dessa inkluderar svag kärnkraft, stark kärnkraft, elektromagnetism och gravitation. Medan de tre första krafterna i alla är en del av standardmodellen för partikelfysik, och kan förklaras genom kvantmekanik, är vår förståelse av tyngdkraften beroende av Einsteins relativitetsteori.
Att förstå hur dessa fyra krafter passar samman har varit syftet med teoretisk fysik i årtionden, vilket i sin tur har lett till utvecklingen av flera teorier som försöker förena dem (dvs. Super String Theory, Quantum Gravity, Grand Unified Theory, etc.). Men deras ansträngningar kan vara komplicerade (eller hjälpt) tack vare ny forskning som tyder på att det bara kan finnas en femte kraft på jobbet.
I en artikel som nyligen publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev, ett forskargrupp från University of California, Irvine förklarar hur nyligen genomförda partikelfysikförsök kan ha gett bevis på en ny typ av boson. Denna boson uppträder uppenbarligen inte som andra bosoner gör, och kan vara en indikation på att det finns ännu en naturkraft där ute som styr grundläggande interaktioner.
Som Jonathan Feng, professor i fysik och astronomi vid UCI och en av huvudförfattarna på tidningen, sa:
”Om det är sant är det revolutionerande. I decennier har vi känt till fyra grundläggande krafter: gravitation, elektromagnetism och de starka och svaga kärnkrafterna. Om det bekräftas av ytterligare experiment skulle denna upptäckt av en möjlig femte kraft fullständigt förändra vår förståelse av universum, med konsekvenser för föreningen av krafter och mörk materia. ”
Insatserna som ledde till denna potentiella upptäckt började redan 2015, då UCI-teamet stötte på en studie från en grupp experimentella kärnfysiker från det ungerska akademiska vetenskapsinstitutet för kärnforskning. Vid den tiden tittade dessa fysiker på en radioaktiv nedbrytningsavvikelse som antydde förekomsten av en lätt partikel som var 30 gånger tyngre än en elektron.
I en artikel som beskriver sin forskning hävdade huvudforskaren Attila Krasznahorka och hans kollegor att det de observerade kan vara skapandet av ”mörka fotoner”. Kort sagt trodde de att de äntligen kunde ha funnit bevis på Dark Matter, den mystiska, osynliga massan som utgör cirka 85% av universumets massa.
Denna rapport övergavs till stor del vid den tiden, men fick bred uppmärksamhet tidigare i år när prof. Feng och hans forskargrupp fann den och började utvärdera dess slutsatser. Men efter att ha studerat de ungerska lagens resultat och jämfört dem med tidigare experiment drog de slutsatsen att de experimentella bevisen inte stödde förekomsten av mörka fotoner.
Istället föreslog de att upptäckten skulle kunna indikera en eventuell förekomst av en femte grundläggande naturkraft. Dessa fynd publicerades i arXiv i april, som följdes upp av ett papper med titeln "Particle Physics Models for the 17 MeV Anomaly in Beryllium Nuclear Decays", som publicerades i PRL den senaste fredagen.
I huvudsak hävdar UCI-teamet att istället för en mörk foton, vad det ungerska forskargruppen kan ha varit med på var skapandet av en tidigare oupptäckt boson - som de har kallat ”protofobiska X boson”. Medan andra bosoner interagerar med elektroner och protoner, interagerar denna hypotetiska boson endast med elektroner och neutroner, och endast inom ett extremt begränsat intervall.
Denna begränsade interaktion tros vara orsaken till att partikeln har förblivit okänd tills nu, och varför adjektiven "fotobisk" och "X" läggs till namnet. "Det finns ingen annan boson som vi har observerat som har samma kännetecken," säger Timothy Tait, professor i fysik och astronomi vid UCI och medförfattare till tidningen. "Ibland kallar vi det bara för 'X boson', där 'X' betyder okänt."
Om en sådan partikel existerar kan möjligheterna till forskningsgenombrott vara oändliga. Feng hoppas att det skulle kunna förenas med de tre andra krafterna som styr partikelinteraktioner (elektromagnetiska, starka och svaga kärnkrafter) som en större, mer grundläggande kraft. Feng spekulerade också att denna möjliga upptäckt skulle kunna peka på förekomsten av en "mörk sektor" i vårt universum, som styrs av dess egna materia och krafter.
"Det är möjligt att dessa två sektorer pratar med varandra och interagerar med varandra genom något förslöjt men grundläggande interaktioner," sade han. "Den här mörka sektorkraften kan manifestera sig som denna protofopiska kraft som vi ser som ett resultat av det ungerska experimentet. I en bredare mening passar det in i vår ursprungliga forskning för att förstå arten av mörk materia. ”
Om detta skulle visa sig vara fallet, kan fysiker vara närmare att ta reda på förekomsten av mörk materia (och kanske till och med mörk energi), två av de största mysterierna i modern astrofysik. Dessutom kan det hjälpa forskare i sökandet efter fysik utöver standardmodellen - något som forskarna vid CERN har varit upptagen med sedan upptäckten av Higgs Boson 2012.
Men som Feng noterar, måste vi bekräfta förekomsten av denna partikel genom ytterligare experiment innan vi blir alla upphetsade över dess konsekvenser:
"Partikeln är inte så tung, och laboratorier har haft de energier som krävs för att göra den sedan 50- och 60-talet. Men orsaken till att det har varit svårt att hitta är att dess interaktioner är mycket svaga. Med det sagt, eftersom den nya partikeln är så lätt, det finns många experimentgrupper som arbetar i små laboratorier runt om i världen som kan följa upp de ursprungliga påståendena, nu när de vet vart de ska titta. ”
Som det senaste fallet med CERN - där LHC-team tvingades meddela att de hade gjort det inte upptäckte två nya partiklar - visar, det är viktigt att inte räkna våra kycklingar innan de rostas. Som alltid är försiktig optimism den bästa metoden för potentiella nya resultat.
