Wszechświatem rządzą cztery podstawowe siły: grawitacja, elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły jądrowe. Siły te napędzają ruch i zachowanie wszystkiego, co widzimy wokół nas. Przynajmniej tak myślimy. Ale w ciągu ostatnich kilku lat pojawiło się coraz więcej dowodów na istnienie piątej siły fundamentalnej. Nowe badania nie odkryły tej piątej siły, ale pokazują, że nadal nie do końca rozumiemy te siły kosmiczne.
Siły fundamentalne są częścią standardowego modelu fizyki cząstek. Ten model opisuje wszystkie różne cząstki kwantowe, które obserwujemy, takie jak elektrony, protony, antymateria i tym podobne. Kwarki, neutrina i bozon Higgsa są częścią modelu.
Termin „siła” w modelu jest nieco mylący. W modelu standardowym każda siła jest wynikiem typu bozonu nośnego. Fotony są bozonem nośnym dla elektromagnetyzmu. Gluony są bozonami nośnymi dla silnych, a bozony znane jako W i Z dla słabych. Grawitacja nie jest technicznie częścią standardowego modelu, ale zakłada się, że grawitacja kwantowa ma bozon znany jako grawiton. Nadal nie rozumiemy w pełni grawitacji kwantowej, ale jedną z idei jest to, że grawitację można połączyć ze standardowym modelem, aby stworzyć wielką jednolitą teorię (JELITO).
Każda cząstka, którą kiedykolwiek odkryliśmy, jest częścią standardowego modelu. Zachowanie tych cząstek bardzo dokładnie odpowiada modelowi. Szukaliśmy cząstek poza standardowym modelem, ale jak dotąd nigdy ich nie znaleźliśmy. Model standardowy jest triumfem naukowego zrozumienia. Jest to szczyt fizyki kwantowej.
Ale zaczęliśmy się uczyć, że ma poważne problemy.
Po pierwsze wiemy, że standardowy model nie może łączyć się z grawitacją w taki sposób, w jaki myśleliśmy. W modelu standardowym siły podstawowe „jednoczą się” przy wyższych poziomach energii. Elektromagnetyzm i słabi łączą się w elektro-słaby, a elektro-słaby jednoczy się z silnym, by stać się siłą elektrojądrową. Przy ekstremalnie wysokich energiach siły elektronowe i grawitacyjne powinny się zjednoczyć. Eksperymenty z fizyki cząstek wykazały, że energie jednoczące się nie pokrywają.
Bardziej problematyczny jest problem ciemnej materii. Ciemna materia została po raz pierwszy zaproponowana w celu wyjaśnienia, dlaczego gwiazdy i gaz na zewnętrznej krawędzi galaktyki poruszają się szybciej niż przewidywała grawitacja. Albo nasza teoria grawitacji jest w jakiś sposób błędna, albo w galaktykach musi być jakaś niewidzialna (ciemna) masa. W ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat dowody na istnienie ciemnej materii stały się naprawdę mocne. Zaobserwowaliśmy, w jaki sposób ciemna materia skupia galaktyki razem, jak rozkłada się w obrębie poszczególnych galaktyk i jak się zachowuje. Wiemy, że nie oddziałuje silnie z regularną materią ani z nią samą, i stanowi większość masy w większości galaktyk.
Ale w standardowym modelu nie ma cząstek, które mogłyby stworzyć ciemną materię. Możliwe, że ciemna materia mogłaby być zbudowana z czegoś takiego jak małe czarne dziury, ale dane astronomiczne tak naprawdę nie potwierdzają tego pomysłu. Ciemna materia najprawdopodobniej składa się z jeszcze nieodkrytych cząstek, których nie przewiduje model standardowy.
Potem jest ciemna energia. Szczegółowe obserwacje odległych galaktyk pokazują, że wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie. Wydaje się, że energia napędza ten proces i nie rozumiemy, jak to zrobić. Możliwe, że przyspieszenie to jest wynikiem struktury przestrzeni i czasu, rodzaju kosmologicznej stałej, która powoduje rozszerzanie się wszechświata. Możliwe, że jest to napędzane przez jakąś nową siłę, która dopiero zostanie odkryta. Czymkolwiek jest ciemna energia, stanowi ona ponad dwie trzecie wszechświata.
Wszystko to wskazuje na to, że model standardowy jest w najlepszym razie niekompletny. Są rzeczy, których nam zasadniczo brakuje w sposobie działania wszechświata. Zaproponowano wiele pomysłów na naprawę standardowego modelu, od supersymetrii po jeszcze nie odkryte kwarki, ale jedną z nich jest to, że istnieje piąta podstawowa siła. Ta siła miałaby swój własny bozon nośny, a także nowe cząsteczki poza tymi, które odkryliśmy.
Ta piąta siła oddziaływałaby również z cząstkami, które zaobserwowaliśmy w subtelny sposób, który jest sprzeczny ze standardowym modelem. To prowadzi nas do nowej pracy, która twierdzi, że ma dowody takiej interakcji.
Artykuł analizuje anomalię rozpadu jąder helu-4 i opiera się na wcześniejszych badaniach rozpadu berylu-8. Beryl-8 ma niestabilne jądro, które rozpada się na dwa jądra helu-4. W 2016 r. Zespół odkrył, że rozpad berylu-8 wydaje się nieco naruszać model standardowy. Gdy jądra znajdują się w stanie wzbudzonym, mogą emitować parę elektron-pozytron podczas rozpadu. Liczba par obserwowanych pod większymi kątami jest wyższa niż przewiduje model standardowy i jest znana jako anomalia Atomki.
Istnieje wiele możliwych wyjaśnień anomalii, w tym błąd eksperymentu, ale jednym z wyjaśnień jest to, że jest to spowodowane przez bozon zespół o nazwie X17. Byłby to bozon nośny dla (jeszcze nieznanej) piątej siły podstawowej o masie 17 MeV. W nowym artykule zespół stwierdził podobną rozbieżność w rozpadzie helu-4. Cząstka X17 mogłaby również wyjaśnić tę anomalię.
Choć brzmi to ekscytująco, należy zachować ostrożność. Kiedy patrzysz na szczegóły nowego artykułu, jest trochę dziwnych poprawek danych. Zasadniczo zespół zakłada, że X17 jest dokładny i pokazuje, że dane można dopasować do ich modelu. Pokazując, że model mogą wyjaśnij, że anomalie to nie to samo, co udowodnienie swojego modelu robi wyjaśnić anomalie. Możliwe są inne wyjaśnienia. Jeśli X17 istnieje, powinniśmy to również zobaczyć w innych eksperymentach z cząsteczkami, a my nie. Dowody na istnienie „piątej siły” są naprawdę słabe.
Piąta siła może istnieć, ale jeszcze jej nie znaleźliśmy. Wiemy, że standardowy model nie do końca się sumuje, a to oznacza, że czeka na niego kilka bardzo interesujących odkryć.
Źródło: Nowe dowody potwierdzające istnienie hipotetycznej cząstki X17, autorstwa Krasznahorkay, A. J. i in.
Źródło: Obserwacja anomalnego tworzenia pary wewnętrznej w 8: Możliwe wskazanie lekkiego, neutralnego bozonu, Krasznahorkay, A. J. i in.
