歐洲核子研究中心在2020年第40屆國(guó)際高能物理會(huì)議上，公布首次對(duì)光子碰撞產(chǎn)生W玻色子對(duì)的觀測(cè)結(jié)果，W玻色子是攜帶四種基本力之一弱力的基本粒子。

這一結(jié)果為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的應(yīng)用提供了一條新途徑，即作為高能光子對(duì)撞機(jī)直接探測(cè)電弱相互作用。它證實(shí)了弱電理論的主要預(yù)測(cè)之一，即載流子可以與自己相互作用，并提供了新的方法來(lái)探索它。

根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)定律，兩束相交的光束不會(huì)相互偏轉(zhuǎn)、吸收或破壞。然而，量子電動(dòng)力學(xué)(QED)的效應(yīng)，即解釋光和物質(zhì)如何相互作用的理論，光子之間是可以相互作用的。事實(shí)上，這并不是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)第一次研究高能光子相互作用。例如，光對(duì)光的“散射”，即一對(duì)光子通過(guò)產(chǎn)生另一對(duì)光子相互作用，是量子電動(dòng)力學(xué)最古老的預(yù)測(cè)之一。早在2017年，ATLAS報(bào)道了第一個(gè)光散射的直接證據(jù)。

利用了高能鉛-鉛碰撞中鉛離子周圍的強(qiáng)大電磁場(chǎng)，在2019年和2020年，ATLAS通過(guò)測(cè)量其特性進(jìn)一步研究了這一過(guò)程。這次國(guó)際高能物理會(huì)議上公布的新結(jié)果，對(duì)另一種罕見(jiàn)的現(xiàn)象很敏感，在這種現(xiàn)象中，兩個(gè)光子通過(guò)四個(gè)載流子的相互作用(其中包括)相互作用，產(chǎn)生了兩個(gè)電荷相反的W玻色子。來(lái)自質(zhì)子束的準(zhǔn)真實(shí)光子相互散射，產(chǎn)生一對(duì)W玻色子。

ATLAS和CMS之前在2016年從大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)第一次運(yùn)行期間記錄的數(shù)據(jù)中：報(bào)告了對(duì)這一現(xiàn)象的第一次研究，但需要更大的數(shù)據(jù)集才能明確觀察到它。該觀測(cè)數(shù)據(jù)具有8.4標(biāo)準(zhǔn)差非常顯著的統(tǒng)計(jì)證據(jù)，對(duì)應(yīng)于由于統(tǒng)計(jì)波動(dòng)而產(chǎn)生的可能性微乎其微。Atlas物理學(xué)家使用了在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)于2018年結(jié)束為期四年的數(shù)據(jù)收集，第2輪期間采集的一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)據(jù)集，并開(kāi)發(fā)了一種定制的分析方法。

由于相互作用過(guò)程的性質(zhì)，中心探測(cè)器中唯一可見(jiàn)的粒子軌跡是兩個(gè)W玻色子，一個(gè)電子和一個(gè)帶相反電荷的μ子的衰變產(chǎn)物。與光子-光子相互作用相比，碰撞質(zhì)子中夸克和膠子之間的相互作用也可以直接產(chǎn)生W玻色子對(duì)，但這些都伴隨著來(lái)自強(qiáng)相互作用過(guò)程的額外軌跡。這意味著ATLAS的物理學(xué)家必須小心地解開(kāi)碰撞軌跡才能觀察到這一罕見(jiàn)現(xiàn)象，ATLAS發(fā)言人卡爾·雅各布斯(Karl Jakobs)說(shuō)：

這項(xiàng)觀測(cè)開(kāi)辟了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)使用初始態(tài)光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索的新局面，它是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗簧婕按笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)強(qiáng)相互作用主導(dǎo)環(huán)境中弱電作用力載體之間的耦合。隨著未來(lái)數(shù)據(jù)集的增加，它可以用來(lái)干凈地探測(cè)弱電規(guī)范結(jié)構(gòu)和新物理可能的貢獻(xiàn)。事實(shí)上，新結(jié)果還證實(shí)了弱電理論的一個(gè)主要預(yù)測(cè)：即除了與普通物質(zhì)粒子相互作用外，力載體，也被稱為規(guī)范玻色子（W玻色子，Z玻色子和光子）也相互作用。

光子碰撞將提供一種新的方式來(lái)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)模型和探索新物理學(xué)，這對(duì)于更好地理解宇宙是必要的。

博科園｜研究/來(lái)自：歐洲核子研究中心CERN

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