Vũ trụ chịu sự chi phối của bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ và lực hạt nhân mạnh và yếu. Những lực lượng này thúc đẩy chuyển động và hành vi của mọi thứ chúng ta thấy xung quanh chúng ta. Ít nhất đó là những gì chúng ta nghĩ. Nhưng trong nhiều năm qua, có rất nhiều bằng chứng về lực lượng cơ bản thứ năm. Nghiên cứu mới đã phát hiện ra lực lượng thứ năm này, nhưng nó cho thấy rằng chúng ta vẫn không hoàn toàn hiểu được các lực lượng vũ trụ này.
Các lực cơ bản là một phần của mô hình chuẩn của vật lý hạt. Mô hình này mô tả tất cả các hạt lượng tử khác nhau mà chúng ta quan sát, chẳng hạn như electron, proton, phản vật chất, v.v. Quark, neutrino và boson Higgs đều là một phần của mô hình.
Thuật ngữ Cưỡng lực lực trong mô hình là một chút sai lầm. Trong mô hình tiêu chuẩn, mỗi lực là kết quả của một loại boson mang. Photon là boson mang cho điện từ. Glamon là boson vận chuyển cho người mạnh, và boson được gọi là W và Z dành cho người yếu. Gravity không phải là một phần kỹ thuật của mô hình tiêu chuẩn, nhưng nó đã giả định rằng lực hấp dẫn lượng tử có một boson được gọi là graviton. Chúng ta vẫn không hiểu rõ về lực hấp dẫn lượng tử, nhưng một ý tưởng là lực hấp dẫn có thể được kết hợp với mô hình chuẩn để tạo ra một lý thuyết thống nhất lớn (RUỘT).
Mỗi hạt mà chúng tôi đã từng khám phá là một phần của mô hình chuẩn. Hành vi của các hạt này phù hợp với mô hình cực kỳ chính xác. Chúng tôi đã tìm kiếm các hạt vượt ra ngoài mô hình tiêu chuẩn, nhưng cho đến nay chúng tôi chưa bao giờ tìm thấy bất kỳ hạt nào. Mô hình chuẩn là một chiến thắng của sự hiểu biết khoa học. Nó là đỉnh cao của vật lý lượng tử.
Nhưng chúng tôi đã bắt đầu tìm hiểu nó có một số vấn đề nghiêm trọng.
Để bắt đầu, bây giờ chúng ta biết mô hình tiêu chuẩn có thể kết hợp với trọng lực theo cách mà chúng ta nghĩ. Trong mô hình tiêu chuẩn, các lực lượng cơ bản đã thống nhất hệ thống điện tử ở mức năng lượng cao hơn. Điện từ và yếu kết hợp thành điện yếu, và điện yếu hợp nhất với mạnh để trở thành lực điện tử. Ở năng lượng cực cao, các lực hạt nhân và lực hấp dẫn sẽ thống nhất. Các thí nghiệm trong vật lý hạt đã chỉ ra rằng các năng lượng hợp nhất don don khớp với nhau.
Vấn đề hơn là vấn đề của vật chất tối. Vật chất tối đầu tiên được đề xuất để giải thích tại sao các ngôi sao và khí ở rìa ngoài của thiên hà di chuyển nhanh hơn dự đoán của trọng lực. Hoặc lý thuyết về trọng lực của chúng ta bằng cách nào đó đã sai, hoặc phải có một khối lượng vô hình (tối) trong các thiên hà. Trong năm mươi năm qua, bằng chứng cho vật chất tối đã trở nên thực sự mạnh mẽ. Chúng tôi đã quan sát cách vật chất tối kết hợp các thiên hà lại với nhau, cách phân bố trong các thiên hà cụ thể và cách thức hoạt động của nó. Chúng ta biết rằng nó không tương tác mạnh mẽ với vật chất thông thường hoặc chính nó và nó chiếm phần lớn khối lượng trong hầu hết các thiên hà.
Nhưng không có hạt nào trong mô hình chuẩn có thể tạo thành vật chất tối. Nó có thể là vật chất tối có thể được tạo ra từ một cái gì đó như các lỗ đen nhỏ, nhưng dữ liệu thiên văn không thực sự hỗ trợ cho ý tưởng đó. Vật chất tối rất có thể được tạo thành từ một số hạt chưa được phát hiện, một mô hình tiêu chuẩn không dự đoán.
Sau đó là năng lượng tối. Quan sát chi tiết các thiên hà xa xôi cho thấy vũ trụ đang giãn nở với tốc độ ngày càng tăng. Dường như có một loại năng lượng thúc đẩy quá trình này, và chúng tôi không hiểu làm thế nào. Có thể là sự gia tốc này là kết quả của cấu trúc không gian và thời gian, một loại hằng số vũ trụ khiến vũ trụ giãn nở. Nó có thể là điều này được thúc đẩy bởi một số lực lượng mới chưa được phát hiện. Dù năng lượng tối là gì, nó chiếm hơn hai phần ba vũ trụ.
Tất cả những điều này chỉ ra thực tế rằng mô hình tiêu chuẩn là tốt nhất, không đầy đủ. Có những thứ chúng ta thiếu căn bản trong cách thức vũ trụ hoạt động. Rất nhiều ý tưởng đã được đề xuất để sửa chữa mô hình chuẩn, từ siêu đối xứng đến các quark chưa được khám phá, nhưng một ý tưởng là có một lực lượng cơ bản thứ năm. Lực lượng này sẽ có các boson mang riêng của nó cũng như các hạt mới ngoài các hạt mà chúng ta đã phát hiện ra.
Lực lượng thứ năm này cũng sẽ tương tác với các hạt mà chúng ta đã quan sát theo những cách tinh tế mâu thuẫn với mô hình chuẩn. Điều này đưa chúng ta đến một bài báo mới tuyên bố có bằng chứng về sự tương tác như vậy.
Bài báo xem xét sự bất thường trong sự phân rã của hạt nhân helium-4, và nó xây dựng một nghiên cứu trước đó về sự phân rã beryllium-8. Beryllium-8 có một hạt nhân không ổn định phân rã thành hai hạt nhân helium-4. Vào năm 2016, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng sự phân rã của beryllium-8 dường như vi phạm mô hình tiêu chuẩn một chút. Khi các hạt nhân ở trạng thái kích thích, nó có thể phát ra cặp electron-positron khi nó phân rã. Số lượng các cặp được quan sát ở các góc lớn hơn cao hơn so với dự đoán của mô hình chuẩn và được gọi là dị thường Atomki.
Có rất nhiều lời giải thích có thể cho sự bất thường, bao gồm cả lỗi thử nghiệm, nhưng một lời giải thích là nó đã gây ra bởi boson, nhóm nghiên cứu có tên X17. Nó sẽ là boson mang cho một lực lượng cơ bản thứ năm (chưa được biết), với khối lượng 17 MeV. Trong bài báo mới, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy sự khác biệt tương tự trong sự phân rã của helium-4. Hạt X17 cũng có thể giải thích sự bất thường này.
Trong khi điều này nghe có vẻ thú vị, có lý do để thận trọng. Khi bạn nhìn vào các chi tiết của bài báo mới, có một chút điều chỉnh dữ liệu kỳ quặc. Về cơ bản, nhóm giả định X17 là chính xác và cho thấy dữ liệu có thể được thực hiện để phù hợp với mô hình của họ. Cho thấy một mô hình có thể giải thích sự bất thường không giống như việc chứng minh mô hình của bạn làm giải thích sự bất thường. Giải thích khác là có thể. Nếu X17 tồn tại, chúng ta cũng đã thấy nó trong các thí nghiệm hạt khác, và chúng ta trú ẩn. Bằng chứng cho lực lượng thứ năm này của người Viking là thực sự yếu.
Lực lượng thứ năm có thể tồn tại, nhưng chúng tôi đã tìm thấy nó. Những gì chúng ta biết là mô hình tiêu chuẩn không hoàn toàn bổ sung, và điều đó có nghĩa là một số khám phá rất thú vị đang chờ được tìm thấy.
Nguồn: Bằng chứng mới ủng hộ sự tồn tại của hạt X17 giả thuyết, bởi Krasnznahorkay, A. J., et al.
Nguồn: Quan sát sự tạo cặp bên trong dị thường trong 8: Một dấu hiệu khả dĩ của một boson nhẹ, trung tính, bởi Krasnznahorkay, A. J., et al.
