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首次!物理学家发现了迄今为止由光碰撞产生物质的最强证据

前瞻网    2021-08-15 20:50

 

根据理论,如果你把两个光子狠狠地撞在一起,你就能产生物质,也就是电子-正电子对(electron-positron pair)。根据爱因斯坦的狭义相对论,光转化为质量。

它被称为“布赖特-惠勒”(Breit-Wheeler)过程,由Gregory Breit和John A. Wheeler在1934年首次提出,我们有充分的理由相信它会起作用。

首次!物理学家发现了迄今为止由光碰撞产生物质的最强证据

但是直接观察只涉及两个光子的纯现象仍然是难以实现的,主要是因为光子需要极高的能量(即伽马射线),而我们还没有技术来建造伽马射线激光器。

现在,布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的物理学家们说,他们已经找到了一种方法,利用该实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)绕过这个障碍,从而直接观察到布莱特-惠勒过程的运行。

“在他们的论文中,Breit和Wheeler已经意识到这几乎是不可能做到的,”布鲁克海文实验室的物理学家Zhangbu Xu说。

“那时激光还不存在呢!”但是Breit和Wheeler提出了一个替代方案:加速重离子。他们的替代方案正是我们在RHIC所做的。”

但是加速离子和光子碰撞有什么关系呢?正如对撞机的名字所暗示的那样,这个过程包括加速离子——原子核剥离电子。因为电子带负电荷,而质子(在原子核内)带正电荷,剥离后原子核带正电荷。元素越重,它的质子就越多,产生的离子的正电荷就越强。

研究小组使用了金离子,它含有79个质子和一个强大的电荷。当金离子被加速到非常高的速度时,它们会产生一个圆形磁场,其威力可与对撞机中的垂直电场相当。在它们相交的地方,这些相等的场可以产生电磁粒子或光子。

“所以,当离子以接近光速的速度移动时,有一群光子围绕着金核,像云一样随它移动。”

在相对论重离子对撞机(RHIC)中,离子被加速到相对速度,即光速的很大一部分。在这个实验中,金离子被加速到光速的99.995%。

这就是奇迹发生的地方:当两个离子擦肩而过时,它们的两个光子云就会相互作用,并发生碰撞。碰撞本身无法被检测到,但由此产生的电子-正电子对可以被检测到。

然而,仅仅探测到电子-正电子对是不够的。这是因为电磁相互作用产生的光子是虚光子,短暂地出现和消失,没有与“真实”光子相同的质量。

要成为一个真正的Breit-Wheeler过程,两个真正的光子需要碰撞——不是两个虚光子,也不是一个虚光子和一个实光子。

在离子的相对论速度下,虚粒子可以表现得像真正的光子。值得庆幸的是,物理学家有一种方法可以分辨哪些电子-正电子对是由Breit-Wheeler过程产生的:碰撞产生的电子和正电子对之间的角度。

每一种类型的碰撞——虚拟-虚拟,虚拟-真实和真实-真实——都可以根据产生的两个粒子之间的角度来识别。因此,研究人员检测并分析了实验中产生的6000多对电子-正电子对的角度。

他们发现,这些角度与真实光子之间的碰撞是一致的——Breit-Wheeler过程在起作用。

“我们还测量了系统的所有能量、质量分布和量子数。”布鲁克海文实验室的物理学家丹尼尔·勃兰登堡(Daniel Brandenburg)说。

“正如Breit和Wheeler最初预测的那样,我们的结果为通过光的碰撞直接一步创造物质-反物质对提供了明确的证据。”

基于此可以很合理地提出这样的论点——即我们不会直接首次探测到纯粹的,单光子-光子布雷特-惠勒(single photon-photon Breit-Wheeler)过程,直到我们碰撞光子接近伽马射线的能量。

这项研究发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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