物理学家通过光子碰撞产生物质和反物质

物理学家的明星合作在布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机(RHIC)已经为80多年前预测的两种现象提供了明确的证据:通过光子碰撞和依赖偏振的光弯曲产生物质和反物质(双折射)在真空中。

两个金离子(红色)以99.995%的光速(v,表示速度,=大约c,光速)反向移动。当离子彼此通过而不发生碰撞时,来自离子周围电磁云的两个光子(γ)可以相互作用,形成物质-反物质对:电子(e-)和正电子(e+)。图片来源:布鲁克海文国家实验室。

两个金离子(红色)以99.995%的光速(v,表示速度,=大约c,光速)反向移动。当离子彼此通过而不发生碰撞时,来自离子周围电磁云的两个光子(γ)可以相互作用,形成物质-反物质对:电子(e-)和正电子(e+)。图片来源:布鲁克海文国家实验室。

当一个静止的电子与它的反物质对应物正电子湮灭时,这个过程就会发射出两个光子。

1934年,物理学家格雷戈里·布雷特和约翰·惠勒研究了反向过程“两个光量子碰撞”产生电子-正电子对的理论。

在他们最初的研究中,研究人员意识到在现有的地球实验中几乎不可能实现伽马射线碰撞,并提出了一种替代方法,即由高电荷核以超相对论速度相互通过产生的光子碰撞。

“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,”美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家、STAR合作项目的成员Zhangbu Xu博士说。

“那时激光还不存在呢!”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。”

一个有79个质子的金离子携带一个强大的正电荷。将这样一个带电重离子加速到非常高的速度,就会产生一个强大的磁场,在高速运动的粒子周围旋转,就像电流流过导线一样。

“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,”徐博士说。

“这种强度相等的垂直电场和磁场的排列,正是光子是一种量化的光粒子。”

因此,当离子以接近光速的速度运动时,金原子核周围会有一束光子,像云一样随它运动

在RHIC,科学家们在两个加速器环中将金(Au)离子加速到光速的99.995%。

“我们有两个光子云,它们以足够的能量和强度朝相反的方向移动,当两个离子擦过彼此而不发生碰撞时,这些光子场可以相互作用,”许博士说。

STAR团队在RHIC金+金碰撞中总共观测到6085个电子-正电子对。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家、STAR合作项目的成员丹尼尔·勃兰登堡博士说:“我们的结果提供了明确的证据,证明了布莱特和惠勒最初预测的那样,通过光的碰撞,直接一步创造出物质-反物质对。”

STAR能够测量这些事件中几乎背对背产生的电子和正电子的微小偏转,这也给物理学家提供了一种方法来研究轻粒子如何与加速离子产生的强大磁场相互作用。

山东大学物理学家、STAR合作组织成员杨驰博士说:“RHIC的一束金离子周围的光子云射入另一束金离子加速产生的强圆形磁场。”

“观察出来的粒子分布告诉我们偏振光是如何与磁场相互作用的。”

1936年德国物理学家维尔纳·海森堡和汉斯·海因里希·欧拉,以及20世纪50年代美国物理学家约翰·托尔,预测真空空间的真空可以被一个强大的磁场极化,这种极化的真空应该改变光子的路径,这取决于光子的极化。

人数也详细的磁场对光的吸收取决于偏振及其与真空中光的折射率的关系。

在RHIC,作者测量了光的偏振如何影响光是否被磁场“吸收”。

“这与偏振光太阳镜阻挡与镜片偏振不匹配的光线的方式类似,”杨博士说。

“当我们观察RHIC中光子-光子相互作用产生的产物时,我们发现产物的角分布取决于光的偏振角度。”

“这表明光的吸收(或通过)取决于它的偏振。”

“这是第一次在地球上的实验观测,偏振影响光与真空磁场的相互作用——1936年预测的真空双折射。”

球队的这篇文章发表在《华尔街日报》上身体检查信件

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j·亚当.(明星合作)。2021.线偏振光子碰撞中e+e−动量和角分布的测量。理论物理。(1127年,052302年;doi: 10.1103 / PhysRevLett.127.052302

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