物理学家刚刚揭示了光碰撞产生物质的有力证据

物理学家刚刚揭示了光碰撞产生物质的最有力证据

他们将金离子加速到接近光速。

在粒子物理学中，高速碰撞通常是一件好事。根据爱因斯坦的狭义相对论，当两个光子以足够的力相互撞击时，产生物质。这个过程会产生一个正负电子对，代表光转化为质量，这似乎超出了我们的能力范围。

最近发表在《Physical ReviewLetters》上的论文，布鲁克海文国家实验室物理学家使用相对论重离子对撞机发现了一种在现实生活中做到这一点的方法，直接见证了这种反应，称为Briet-Wheeler过程。

这是一个重大的发现，建立在几十年前似乎不可逾越的理论壁垒之上。

将金离子加速到接近光速

布鲁克海文实验室的物理学家Zhangbu Xu在实验室官方网站上发布的一篇博客文章中解释了最初描述该过程的两位科学家：“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。但是Breit和Wheeler提出了一个替代方案：加速重离子。加速离子是指增加已被剥离电子的原子核的速度。

研究人员使用了具有79个质子的金离子。这具有一个强大的电荷，当加速到疯狂的速度时，金离子会产生一个圆形磁场，与对撞机中的垂直电场相媲美。当这两个场相交时，它们会产生电磁粒子，也称为光子。Xu在博客文章中说“当离子以接近光速的速度运动时，金核周围会有一堆光子，像云一样随它移动，RHIC将离子加速到相对论速度。”最近的实验看到金离子加速到光速的99.995%。这是非常非常快的。

物理学家检测到Breit-Wheeler过程的几个特性

当两个离子没有彼此错过时，它们的两个光子云开始相互作用，发生碰撞。这些碰撞是在没有检测到的情况下发生的，但反应的产率，电子-正电子对，可以检测。但这还不够，因为通过这种电磁相互作用产生的光子在本质上只是虚拟的，没有可测量的物理量对应其“真实”质量。为了满足Breit-Wheeler过程的条件，两个“真实”光子需要撞击成另一对真实光子。有一种技术手段可以区分虚拟电子-正电子对和真正的Breit-Wheeler：高速碰撞产生的电子对中正电子和电子之间的角度。

布鲁克海文实验室的物理学家丹尼尔∙勃兰登堡（Daniel Brandenburg）在博客中表示，物理学家检测到了真实光子的几种不同特性，包括系统的能量、质量分布和量子数。“我们的研究结果提供了明确的证据，表明如Breit和Wheeler最初预测的那样，通过光的碰撞直接、一步地产生物质-反物质对。”这是一个非常引人注目的发现，下一个挑战在于通过将光子与伽马射线能量粉碎在一起来直接检测单光子-光子过程。