兩個碰撞的光粒子被用來創(chuàng)建一個物質(zhì)-反物質(zhì)對

布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的 STAR 探測器探測到由光子碰撞產(chǎn)生的物質(zhì)-反物質(zhì)對。 （圖片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室）

在對愛因斯坦最著名的一個方程式做實(shí)驗(yàn)的過程中，物理學(xué)家聲稱第一次用純光創(chuàng)造了物質(zhì)。

阿爾伯特愛因斯坦著名的 E=mc^2 方程表明，如果你將兩個足夠高能的光子或輕粒子相互撞擊，能夠創(chuàng)造出電子形式的物質(zhì)及其相反的反物質(zhì)。

這一過程由美國物理學(xué)家格雷戈里·布萊特和約翰·惠勒于 1934 年首次描述，長期以來一直是物理學(xué)中最難觀察的過程之一，主要是因?yàn)榕鲎驳墓庾有枰歉吣苜ゑR射線，而科學(xué)家們還不能制造伽馬射線激光器?？茖W(xué)家用替代實(shí)驗(yàn)證明，物質(zhì)是由多個光子產(chǎn)生的，但從來沒有以一對一的方式來最確鑿地證明這種效應(yīng)。

但現(xiàn)在紐約布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員相信他們已經(jīng)找到了解決方法。使用實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī) (RHIC)，他們已經(jīng)得出的測量結(jié)果與這種奇特的物質(zhì)轉(zhuǎn)變預(yù)測非常匹配。

布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家 Zhangbu Xu 在一份聲明中說 “在他們的論文中，Breit 和 Wheeler 已經(jīng)意識到這幾乎是不可能的，激光甚至還不存在！但 Breit 和 Wheeler 提出了一個替代方案：加速重離子。他們的替代方案正是我們在 RHIC 所做的?！?/p>

研究人員沒有直接加速光子，而是用被剝奪了電子的原子核構(gòu)成正電的離子。在一個大加速器循環(huán)中，加速這兩個離子，然后在接近碰撞中讓它們彼此通過。 由于離子是非常接近光速運(yùn)動的帶電粒子，它們還攜帶著一個電磁場，在電磁場內(nèi)部是一堆不完全真實(shí)的“虛擬” 光子 “像云一樣與[離子]一起旅行 ”徐解釋道。

虛擬粒子是非常短暫地突然出現(xiàn)的粒子，是真實(shí)粒子之間的電磁場擾動而產(chǎn)生。 它們的質(zhì)量與真實(shí)光子不同 (與沒有質(zhì)量的真實(shí)光子不同，虛光子有質(zhì)量)。在這個實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)離子以極為接近的速度掠過彼此時，它們的兩個虛擬光子云移動得如此之快，就像它們是真實(shí)的一樣。實(shí)際作用的虛擬粒子發(fā)生了碰撞——產(chǎn)生了科學(xué)家們探測到的非常真實(shí)的電子-正電子對。

為了真實(shí)地觀察 Breit-Wheeler 過程，或者使用虛擬粒子盡可能真實(shí)地觀察，物理學(xué)家必須確保他們的虛擬光子表現(xiàn)得像真實(shí)光子一樣。 為了檢查虛擬光子的行為，物理學(xué)家檢測并分析了他們實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的 6,000 多個電子-正電子對之間的角度。

當(dāng)兩個真實(shí)粒子碰撞時，產(chǎn)生的二次產(chǎn)物的角度與兩個虛擬粒子碰撞產(chǎn)生的二次產(chǎn)物的角度不同。但在這個實(shí)驗(yàn)中，虛擬粒子的次生產(chǎn)物與真實(shí)粒子的次生產(chǎn)物反彈的角度相同。因此，研究人員可以驗(yàn)證他們所看到的粒子的行為，就好像它們是由真實(shí)的相互作用產(chǎn)生的。他們成功地演示了 Breit-Wheeler 過程。

研究人員還測量了系統(tǒng)的能量和質(zhì)量分布。布魯克海文的物理學(xué)家丹尼爾·勃蘭登堡(Daniel Brandenburg)在聲明中說:“它們與關(guān)于真實(shí)光子會發(fā)生現(xiàn)象的理論計算是一致的?！?/p>

盡管如此，即使它們看起來表現(xiàn)得像真實(shí)粒子，但不可否認(rèn)，實(shí)驗(yàn)中使用的虛擬光子仍然是虛擬的。 這就提出了一個問題，這個實(shí)驗(yàn)是否真的證明了Breit-Wheeler過程，但這仍然是重要的第一步，直到未來物理學(xué)家能開發(fā)出足夠強(qiáng)大的激光，用真實(shí)的光子展示這個過程。

相關(guān)知識

虛粒子（英語：virtual particle），意即虛構(gòu)粒子、假想粒子，是在量子場論的數(shù)學(xué)計算中建立的一種解釋性概念，指代用來描述亞原子過程例如撞擊過程中粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)。但是，虛粒子并不直接出現(xiàn)在計算過程的那些可觀測的輸入輸出量中，那些輸入輸出量只代表實(shí)粒子。虛粒子項(xiàng)代表那些所謂離質(zhì)量殼(off mass shell)的粒子。

例如，它們沿時間反演、能量不守恒、以超光速移動，每條看起來都和物理基本原理相悖。虛粒子發(fā)生在那些大致可被實(shí)輸出量相消的組合項(xiàng)中，因此才產(chǎn)生前述那些不實(shí)的沖突。虛粒子的虛“事件”通?？雌饋硎且粋€緊接著另一個發(fā)生，例如在一次撞擊的時長中，所以他們顯得短命。如果在計算中略去那些被詮釋為代表虛粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)，計算結(jié)果將變成近似值，有可能較大地偏離完整計算得到的正確而且精確的結(jié)果。[1][2][3]

BY: Ben Turner

FY: Starry

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