根据该理论,如果将两个光子猛烈撞击在一起,就可以产生物质:一对电子-正电子,而根据爱因斯坦的狭义相对论,光会转化为质量。这个过程被称为布莱特-惠勒过程,由布莱特和约翰·A·布莱特于 1934 年首次提出,现在有充分的理由相信它是有效的。
但直接观察仅涉及两个光子的纯现象仍然难以实现,主要是因为光子需要极高的能量(即伽马射线),而我们还没有制造伽马射线激光器的技术。
现在,布鲁克海文国家实验室的物理学家表示,他们已经找到了一种方法来绕过这个障碍发现正电子的物理学家,并利用实验室的相对论重离子对撞机 (RHIC) 直接观察布莱特-惠勒过程。
“在他们的论文中,布莱特和其他人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徐说。“当时还没有激光!但布莱特和其他人提出了一种替代方案:加速重离子。他们的替代方案正是我们在 RHIC 上所做的。”
但是加速离子和光子碰撞与此有什么关系呢?
正如对撞机的名称所暗示的那样,该过程涉及加速离子(剥离电子的原子核)。由于电子带负电荷,而质子(原子核内)带正电荷,因此剥离后原子核带正电荷。元素越重,质子越多,产生的离子的正电荷就越强。
研究团队使用了金离子,这种离子含有 79 个质子和强电荷。当金离子加速到极高的速度时,它们会产生一个圆形磁场,其强度与对撞机中的垂直电场相当。在它们相交的地方,这些相等的磁场可以产生电磁粒子或光子。
“因此,当离子以接近光速移动时,会有一组光子围绕着金原子核,像云一样随之移动,”徐说。
在 RHIC 中,离子被加速到相对论速度,即光速的很大一部分。在本次实验中,金离子被加速到光速的 99.995%。
神奇的事情就在这里发生:当两个离子彼此擦肩而过时,它们的两个光子云相互作用并发生碰撞。碰撞本身无法被探测到,但由此产生的电子-正电子对却可以被探测到。
然而,仅仅检测电子-正电子对是不够的。
图片显示了金离子之间近距离碰撞产生的光子碰撞
这是因为电磁相互作用产生的光子是虚光子,它们出现和消失的时间很短,而且不具备与“真实”光子相同的质量。
要实现真正的Breit-过程需要两个真实的光子碰撞 - 而不是两个虚拟光子,或者一个虚拟光子和一个真实的光子。
在离子的相对论速度下发现正电子的物理学家,虚拟粒子可以像真实光子一样运动。值得庆幸的是,物理学家有办法判断哪些电子-正电子对是由 - 过程产生的:碰撞产生的电子和正电子对之间的角度。
每种类型的碰撞——虚-虚、虚-实和实-实——都可以根据产生的两个粒子之间的角度来识别。因此,研究人员检查并分析了实验中产生的 6,000 多个电子-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(即 Breit- 过程)一致。
“我们还测量了该系统的所有能量、质量分布和量子数,”布鲁克海文实验室的物理学家说。“我们的研究结果为通过光碰撞直接一步产生物质-反物质对提供了明确的证据,正如布莱特等人最初预测的那样。”
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