光的碰撞从纯能量中产生物质/反物质

在相对论重离子对撞机 (RHIC) 上研究粒子碰撞的科学家们已经为 80 多年前预测的两种物理现象提供了确凿的证据。结果来自对 RHIC 掠射粒子碰撞中产生的 6,000 多对电子和正电子的详细分析，并发表在《物理评论快报》上。主要发现是电子和正电子对——物质和反物质的粒子——可以通过碰撞非常直接产生，它们是 的量子“包”。能量光转化为物质是爱因斯坦著名的 E=mc2 方程的直接结果，该方程指出能量和物质（或质量）是可以互换的。太阳和核电站中的核反应经常将物质转化为能量。现在，科学家们只需一步即可将光能直接转化为物质。第二个结果表明，光在真空中穿过磁场的路径弯曲不同，这取决于光的偏振方式。当光穿过某些材料时，就会发生这种偏振相关的偏转（称为双折射）。 （这种效果类似于波长相关偏转将白光分成彩虹的方式。）但这是真空中偏振相关光弯曲的首次演示。这两个结果都取决于 RHIC 的 STAR 探测器——RHIC 的电磁跟踪器——测量以接近光速移动的金离子的掠射碰撞中产生的粒子角分布的能力。当物理学家 Gregory Breit 和 John A. Wheeler 于 1934 年首次描述碰撞光粒子以产生电子对和它们的反物质对应物（称为正电子）的假设可能性时，这种能力并不存在。“在他们的论文中，Breit 和 Wheeler 已经意识到这几乎是不可能的，”布鲁克海文实验室物理学家、RHIC STAR Collaboration 的成员 Zhangbu Xu 说。 “激光甚至还不存在！但是 Breit 和 Wheeler 提出了一个替代方案：加速重离子。他们的替代方案正是我们在 RHIC 所做的。”离子本质上是一个裸原子，被剥夺了电子。具有 79 个质子的金离子带有强大的正电荷。将这种带电重离子加速到非常高的速度会产生一个强大的磁场，该磁场在高速粒子行进时围绕它盘旋——就像电流流过电线一样。 “如果速度足够高，圆形磁场的强度可以等于垂直电场的强度，”徐说。而这种强度相等的垂直电场和磁场的排列正是光子——光的量子化“粒子”。 “所以，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。”

在 RHIC，科学家们在两个加速器环中将金离子加速到 99.995% 的光速。 “我们有两个光子云以足够的能量和强度向相反的方向移动，当两个离子相互擦过而不发生碰撞时，这些光子场可以相互作用，”徐说。但是这种粒子对可以通过 RHIC 的一系列过程产生，包括通过“虚拟”光子，一种短暂存在并带有有效质量的光子状态。为确保物质-反物质对来自真实光子，科学家必须证明“虚拟”光子的贡献不会改变实验结果。为此，STAR 科学家分析了每个电子相对于其伙伴正电子的角度分布模式。对于由真实光子与虚拟光子相互作用产生的对，这些模式不同。 “我们还测量了系统的所有能量、质量分布和量子数。它们与真实光子会发生什么的理论计算一致，”布鲁克海文实验室的 Goldhaber 研究员 Daniel Brandenburg 说，他分析了 STAR 数据这个发现。其他科学家已经尝试使用强大的激光——聚焦的强光光束——通过光的碰撞来制造正负电子对。但勃兰登堡说，这些强光束中的单个光子还没有足够的能量。 1997 年 SLAC 国家加速器实验室的一项实验通过使用非线性过程取得了成功。那里的科学家首先必须通过与强大的电子束碰撞来提高一束激光束中光子的能量。在另一个激光产生的巨大电磁场中，增强的光子与多个光子同时碰撞，产生物质和反物质。

勃兰登堡说：“我们的结果提供了明确的证据，表明光的碰撞可以直接、一步地产生物质 - 反物质对，正如 Breit 和 Wheeler 最初预测的那样。” “得益于 RHIC 的高能重离子束和 STAR 探测器的大接受度和精确测量，我们能够以高统计量分析所有运动学分布，以确定实验结果确实与真实的光子碰撞一致。” STAR 能够测量在这些事件中几乎背靠背产生的电子和正电子的微小偏转，这也为物理学家提供了一种研究轻粒子如何与加速离子产生的强大磁场相互作用的方法。 “在 RHIC 的一个光束中，围绕金离子的光子云正射入由另一个金光束中的加速离子产生的强圆形磁场，”山东大学的长期 STAR 合作者 Chi Yang 说。整个职业生涯都在研究 RHIC 各种工艺产生的正负电子对。 “观察出来的粒子分布告诉我们偏振光如何与磁场相互作用。” Werner Heisenberg 和 Hans Heinrich Euler 在 1936 年，以及 John Toll 在 1950 年代预测，真空可以被强大的磁场极化，并且这种极化的真空应该根据光子极化偏转光子的路径。 Toll 在他的论文中还详细说明了磁场对光的吸收如何取决于偏振及其与真空中光的折射率的关系。这种偏振相关的偏转或双折射已在许多类型的晶体中观察到。最近还有一份报告称，来自中子星的光以这种方式弯曲，大概是因为它与恒星磁场的相互作用。但是没有地球上的实验在真空中检测到双折射。在 RHIC，科学家们测量了光的偏振如何影响光是否被磁场“吸收”。杨解释说，这类似于偏光太阳镜在某些光线与镜片的偏振不匹配时阻止它们通过的方式。就太阳镜而言，除了看到较少的光线通过之外，原则上您还可以测量镜片材料在吸收被阻挡光线的能量时的温度升高情况。在 RHIC，吸收的光能是产生电子-正电子对的原因。 “当我们查看 RHIC 光子相互作用产生的产物时，我们看到产物的角分布取决于光的偏振角。这表明光的吸收（或通过）取决于其偏振，”杨说。

这是第一个基于地球的实验观察，即偏振影响光与真空中的相互作用——1936 年预测的真空双折射。“这两个发现都建立在 20 世纪初一些伟大物理学家的预测之上， ”莱斯大学教授 Frank Geurts 说，他的团队建造并操作了 STAR 最先进的“飞行时间”探测器组件，这是此次测量所必需的。 “它们基于最近才通过我们在 RHIC 开发的技术和分析技术实现的基本测量。”更多信息：J. Adam 等人，从线性​​偏振光子碰撞中测量 e+e− 动量和角分布，物理评论快报（2021 年）。 DOI：10.1103/PhysRevLett.127.052302