物理实验证实80多年前的预测

作者: 二宗主

来源: 物理评论快报

发布日期: 2021-08-12

一个国际研究团队利用相对论性重离子对撞机(RHIC),通过单一的步骤将光直接转化为物质,证实了布雷特和惠勒以及海森堡和欧拉的预测。

2021年8月12日,一个国际研究团队利用相对论性重离子对撞机(RHIC),对高能光子对撞所产生的6000多对电子和正电子进行了详细分析,证明了他们可以通过一个单一的步骤将光直接转化为物质,为布雷特和惠勒的预测提供了首个证据。不仅如此,他们的研究还证实了另一个重要的预测。

1936年,维尔纳·海森堡和汉斯·海因里希·欧拉提出,强大的磁场可以使真空极化,而且这种极化的真空能够根据光子的偏振改变光子的路径。现在,新的研究也首次在实验中证实了这种现象。

这两个结果都得益于RHIC的STAR探测器对接近光速运动的金离子在撞击时产生的粒子的角度分布的测量。研究人员将他们的结果发表在了近期的《物理评论快报》上。

一直以来,由于技术上的限制,物理学家难以证实布雷特和惠勒的预测到底是不是真的。从早期的论文中可以看出,布雷特和惠勒本人对此并不乐观,他们认为这是几乎不可能做到的事。那时,激光尚未被发明出来。不过,布雷特和惠勒提出了一个探测方案,他们认为使用加速的重离子或许可以探测到这一现象——而这种方法正是研究人员在新实验中所做的。

在RHIC,科学家用两个加速器环将金离子加速到光速的99.995%,制造出的两个金离子分别以足够的能量和强度朝着相反方向移动。当两个离子彼此擦过而不发生碰撞时,围绕在离子周围的光子就可以发生相互作用。研究人员仔细追踪了这些相互作用,并试图从中寻找预测中的电子-正电子对。在布雷特和惠勒预测的过程中,一个重要的前提是——产生了电子-正电子对的光子必须是“真实”的,而不是“虚拟”的。

这也是研究人员在寻找电子-正电子对的过程中所必须克服的一个关键难点,因为RHIC中的一系列过程都可以产生电子-正电子对,其中就包括“虚”光子(一种短暂存在并携带有效质量的光子状态)。

除此之外,新研究也证实了海森堡和欧拉在80多年前的预测。由于STAR能够测量电子和正电子所发生的微小偏转,因此它也可以被用来研究光子如何与由加速离子产生的强大磁场的相互作用。这种与偏振相关的路径偏转被称为双折射,其实当光通过某些晶体时,就会出现这种现象。最近有报道称,一颗中子星发出的光也会以这种方式弯曲,可能是因为它与恒星磁场的相互作用。但是,物理学家还没有在实验中检测到这种真空双折射。

在过去的一些其他研究中,有科学家曾试图利用激光的强光束的碰撞来创造电子-正电子对。比如1997年,SLAC国家加速器实验室的一项实验通过非线性过程获得了成功,当时,科学家首先通过与强大的电子束发生碰撞来提高一束激光中的光子的能量;然后在另一种激光产生的巨大电磁场中,能量得到了增强的光子与多个光子同时碰撞,从而产生了物质和反物质。而新研究则通过光的碰撞,只通过一步就直接产生了物质-反物质对。

然而,也有物理学家认为,实验中的光子是否可以被认作为是“真实”的还有待商榷。

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