现在是成为粒子物理学家的好时机。长期以来人们一直寻找的希格斯玻色子粒子似乎终于在日内瓦的一个加速器中被发现，科学家们现在正热衷于追踪宇宙的另一个微小组成部分，这个部分与一种新的基本自然力有关。
一项利用地球自身作为电子来源的实验，缩小了对一种新的力载粒子的搜索范围，对它所携带的力的大小设置了更严格的限制。
来自阿默斯特学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员表示，如果这种新粒子是真实存在的，它将揭示地球内部的过程和结构。实验结果发表在2月22日的《科学》杂志上。
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这项新的自然力携带一种被称为长程自旋-自旋相互作用的力，阿默斯特学院的物理学家、主要研究作者拉里·亨特说。短程自旋-自旋相互作用时常发生：磁铁之所以能吸在冰箱上，是因为磁铁中的电子和冰箱钢外壳中的电子都以相同的方向旋转。但是，长程自旋-自旋相互作用则更加神秘。 [古怪的物理学：自然界最酷的小粒子]
这种力将在物理学家所熟知的四种基本力（引力、电磁力以及强核力和弱核力）之外发挥作用。一些物理学家认为存在这种新力，因为扩展粒子物理学的标准模型——一种定义最微小粒子的物理学的理论——实际上预测了尚未被发现的、携带这种力的粒子。
非粒子
关于这种力的来源有三种可能性。第一种是被称为“非粒子”的粒子，它在某些方面表现得像光子（光粒子），在其他方面表现得像物质粒子。第二种是被称为 Z' （发音为“Z-prime”）的粒子，它是携带弱核力的Z玻色子的轻型近亲。非粒子和Z'都来自对当前物理理论的扩展。第三种可能性是根本没有新粒子，而是相对论的某些组成部分正在影响自旋。
非粒子最初由哈佛大学物理学家霍华德·乔吉于2007年提出。粒子具有确定的质量，除非它们是光子，光子是没有质量的。电子或质子的质量不能改变，无论它具有多少动量——改变质量（以及因此产生的能量），就会改变它所属的粒子类型。非粒子将具有可变的质量-能量。
尽管科学家们尚未发现与这种力相关的新粒子，但他们确实看到长程自旋-自旋相互作用必须比早期的实验显示的要小100万倍。如果这种力存在，它是如此之小，以至于电子和中子等两个粒子之间的引力要强一百万倍。
由光子介导的普通的、冰箱磁铁类型的自旋相互作用仅在非常短的距离内起作用。例如，磁力随着距离的立方反比而下降——走远两倍，力的强度就会下降八倍。长程自旋-自旋力似乎并没有下降那么多。多年来，物理学家一直在寻找携带这种相互作用的粒子，但尚未发现它们。阿默斯特实验对这种力的强度设置了更严格的限制，这为物理学家提供了关于在哪里寻找的更好想法。
地球的电子
理论家们早就知道他们正在寻找的力会很弱，而且只能在非常远的距离上被检测到。因此，科学家们需要一种创造性的方法来寻找它。他们需要找到一个地方，那里聚集着大量的电子以产生更强的信号。
“电子具有很大的磁矩，”亨特说，“它们与地球磁场的对齐效果更好，因此它们是显而易见的选择。”任何轻微地推动与地球磁场对齐的电子自旋的因素，都会使这些自旋的能量发生少量变化。 [关于地球的 50 个惊人事实]
因此，阿默斯特和德克萨斯大学的团队决定利用地球地幔中的电子，因为那里有大量的电子——大约10^49个。“以前，人们会准备自旋极化的中子等样本，”亨特说，“它们的来源是接近且可控的。但我意识到，拥有更大的来源，你就可以获得更好的灵敏度。”
原因是，即使大约1000万个地幔电子中只有一个会将其自旋与地球磁场对齐，也会剩下10^42个电子。即使无法像在实验室中那样控制它们，也有足够多的电子可供使用。
电子地图
科学家们首先绘制了地球内部电子的自旋方向和密度图。该地图基于德克萨斯大学地球科学副教授、这篇新论文的合著者林正福（Jung-Fu Lin）的工作。
为了绘制地图，他们使用了地球地幔和地壳内所有已知强度的地球磁场方向。他们使用这张地图来计算地球中的这些电子会对西雅图和阿默斯特进行的自旋敏感实验产生多大影响。
然后，阿默斯特团队将磁场施加到一组亚原子粒子（本例中是中子）上，并仔细观察它们的自旋。西雅图小组观察了电子。
这些实验中自旋能量的变化取决于它们指向的方向。自旋以独特的频率围绕施加的磁场旋转。如果地幔中的电子正在传递某种影响它们的力，它应该表现为实验室中粒子频率的变化。
除了缩小对新力的搜索范围外，该实验还指出了研究地球内部的另一种方法。目前，关于地球内部的模型有时会给出不一致的答案，例如，为什么地震波以它们的方式穿过地幔。第五种力将成为一种“读取”那里亚原子粒子的方式，并且可能有助于科学家理解这种差异。它还将帮助地球科学家了解那里的铁的类型以及它所具有的实际结构。“它将为我们提供我们大多无法获取的信息，”林说。
编者注：本文已更新，以更正物理学家拉里·亨特的姓氏。
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