歐洲核子研究組織大型強子對撞機的緊湊介子螺線管實驗。來源:歐洲核子研究中心
萊斯大學的物理學家和他們的同事們剛剛證實了一個有87年曆史的預測，即物質可以直接由光產生。他們詳細說明了這一過程將如何影響未來對原始等離子體和標準模型之外的物理學的研究。
“我們本質上是在研究光的碰撞，”萊斯大學物理學和天文學副教授、發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的這項研究的合著者李偉(Wei Li)說。
“我們從愛因斯坦那裡知道，能量可以轉化為質量，”粒子物理學家李說，他與數百名同事在高能粒子加速器上進行實驗，如歐洲核研究組織的大型強子對撞機(LHC)和布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)。
像RHIC和LHC這樣的加速器通常透過加速接近光速的原子碎片並使它們相互碰撞來將能量轉化為物質。2012年在大型強子對撞機中發現希格斯粒子就是一個顯著的例子。當時，希格斯粒子是標準模型(Standard Model)中最後一個未觀測到的粒子。標準模型描述了原子的基本作用力和構成要素。
令人印象深刻的是，物理學家們知道標準模型只能解釋宇宙中大約4%的物質和能量。李教授說，本週由賴斯大學博士後研究員楊帥主持的這項研究，對研究標準模型之外的物理學具有啟示意義。
“有論文預測，你可以從這些離子碰撞中創造出新的粒子，在這些碰撞中我們有如此高的光子密度，這些光子-光子相互作用可以創造出標準模型之外的新物理，”李說。
楊說:“要尋找新的物理，必須非常精確地理解標準模型過程。當人們建議使用光子-光子相互作用來尋找新的物理學時，我們在這裡看到的效應以前沒有被考慮過。考慮到這一點非常重要。”
當物理學家加速相反方向的重離子束並將它們指向對方時，就會產生這種效應。這些離子是像金或鉛這樣的大質量元素的原子核，而離子加速器對於研究強力特別有用，這種強力將原子核中的中子和質子中的夸克束縛在一起。物理學家利用重離子碰撞來克服這些相互作用，並觀察夸克和膠子，夸克和膠子透過強作用力相互作用時交換粒子。
但原子核並不是重離子加速器中唯一會發生碰撞的東西。離子束也會產生電場和磁場，這些電場和磁場用自己的光雲將束中的每個原子核包裹起來。這些雲隨著原子核移動，當來自相反光束的雲相遇時，被稱為光子的單個光粒子可以迎面相遇。
在7月發表的一項PRL研究中，Yang和他的同事利用RHIC的資料表明光子-光子碰撞從純能量中產生物質。在實驗中，輕碰撞與原子核碰撞同時發生，產生了一種叫做夸克-膠子等離子體(QGP)的原始湯。
“在RHIC中，你可以讓光子-光子碰撞在形成夸克-膠子等離子體的同時產生質量，”楊說。“所以，你在夸克膠子等離子體內部創造了新的質量。”
楊博士2018年發表在PRL上的關於RHIC資料的博士論文表明，光子碰撞可能會以一種輕微但可測量的方式影響等離子體。李說，這既有趣又令人驚訝，因為光子碰撞是一種電磁現象，而夸克-膠子等離子體是由強力主導的，比電磁力強得多。
“要與夸克-膠子等離子體進行強烈的相互作用，只有電荷是不夠的，”李說。“你不會期望它與夸克-膠子等離子體發生非常強烈的相互作用。”
他說，人們提出了各種各樣的理論來解釋楊的意外發現。
“一種提出的解釋是，光子-光子相互作用看起來不同，不是因為夸克-膠子等離子體，而是因為兩個離子彼此更接近，”李說。“這與量子效應以及光子如何相互作用有關。”
楊推測，如果是量子效應造成了這種異常現象，當離子彼此擦肩而過，但各自的光雲中的光子發生碰撞時，就會產生可檢測的干涉圖樣。
“所以這兩個離子不會直接碰撞，”楊說。“他們實際上是經過的。它被稱為超外圍碰撞，因為光子會碰撞，但離子不會碰撞。”
理論認為，超外圍光子-光子碰撞的量子干涉模式應與透過的離子之間的距離成正比。利用大型強子對撞機緊密型介子螺線管(CMS)實驗的資料，楊、李和同事們發現，他們可以透過測量一些完全不同的東西來確定這個距離或碰撞引數。
歐洲核子研究組織大型強子對撞機的緊湊介子螺線管實驗。來源:歐洲核子研究中心
“這兩個離子，當它們靠近時，離子被激發並開始發射中子的可能性就會更高，中子會沿著束流線直走，”Li說。“我們在CMS有一個探測器。”
每次超外圍光子-光子碰撞都會產生一對名為μ子的粒子，它們通常會從碰撞的相反方向飛出。正如理論預測的那樣，Yang, Li和同事們發現量子干涉扭曲了介子的離開角度。而近距離發射的離子之間的距離越短，扭曲就越大。
李說，這種效應是由光子碰撞的運動引起的。雖然每個光子都隨其主離子向光束的方向移動，但光子也可以遠離它們的主離子。
“光子也有垂直方向的運動，”他說。“事實證明，確實如此，隨著撞擊引數越來越小，垂直運動越來越強。
“這讓它看起來像是有什麼東西在修改μ子，”李說。他說:“看起來一個人的發展角度和另一個人不同，但事實並非如此。這是光子運動方式改變的假象，垂直於光束方向，在產生介子的碰撞之前。”
楊說，這項研究解釋了他之前發現的大多數異常現象。同時，該研究為控制光子相互作用的衝擊引數建立了一種新的實驗工具，將產生深遠的影響。
他說:“我們可以輕鬆地說，大部分是來自QED效應。”“但這並不排除夸克膠子等離子體仍然存在相關效應。這項工作給了我們一個非常精確的基線，但我們需要更精確的資料。我們還有至少15年的時間在CMS收集QGP資料，資料的精度將越來越高。”
