圖片來源:Matthew Marchincin @ YouTube

逾 80 年來首確認光子高速碰撞 可產生物質與反物質

上月尾刊於 Physical Review Letters 的研究指,美國 Brookhaven 國家實驗室成功用相對論性重離子對撞機 (RHIC) 直接觀察到 Breit-Wheeler 過程,即光子可通過強力撞擊結合,變成物質與反物質。

Breit-Wheeler 過程在 1934 年由物理學家 Gregory Breit 和 John A. Wheeler 首次提出,理論指兩個光子可通過強力撞擊結合,有可能變成物質與反物質,形成電子和正電子。這種把光變成物質的過程是愛因斯坦狹論相對論中質能方程式 E=mc² 的直接反映,表明能量和質量是可以互相轉化。長期以來,學界都期望通過超強功率的激光碰撞來觀測過程,然而兩個光子發生碰撞的概率非常低,其所需的最低激光功率仍然比目前功率最高的激光系統要高幾個數量級。

有参與研究的 Brookhaven 國家實驗室物理部教授許長補指,當年 Breit 和 Wheeler 提出理論時,激光還未被發明,他們提出替代方案,通過加速重離子到相對論能區並碰撞來實現光生物質, RHIC 正是為此而設。

RHIC 啟動後會加速離子,電子會從元素的原子核剝離。由於電子帶負電荷而原子核內的質子帶正電荷,將電子剝離會使原子核帶正電荷。元素越重,擁有的質子越多,生成的離子正電荷就越強。

團隊使用了包含 79 個質子和強大電荷的金離子做測試。當金離子被加速到非常高的速度時,會產生一個圓形磁場,強度可以與對撞機中的垂直電場一樣強大,兩者相交的地方,出現相等磁場可產生電磁粒子或光子。許解釋,當離子以接近光速的速度運動時,金原子核周圍會有一堆光子,像雲一樣隨其移動。

在 RHIC 中,金離子會被加速到光速的 99.995% ,即使兩個離子彼此錯過時,產生的光子雲仍可互動碰撞;雖然無法檢測到碰撞本身,但產生的正負電子對可以顯示碰撞曾經出現。然而,僅僅檢測正負電子對並不足夠。因為電磁互動作用產生的光子是虛擬光子,會短暫地出現和消失,並且沒有與「真實」對應物相同的質量。

為了完全確認 Breit-Wheeler 過程出現,團隊分析了 6,000 多對正負電子的角度,比較每一電子對的質量和角分布是否與理論所上的光子碰撞一致。另一参與研究的物理學家 Daniel Brandenburg 補充,團隊也測量了系統的所有能量、質量分佈和量子數,確定如 Breit 和 Wheeler 最初預測一樣,光子碰撞可直接產生物質與反物質。

來源:
Science Alert, Physicists Detect Strongest Evidence Yet of Matter Generated by Collisions of Light, 10 August 2021

報告:
Adam, J. Adamczyk, L., Adams, J.R. & et al. (2021). Measurement of e+e− Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions. Phys. Rev. Lett. 127, 052302 – Published 27 July 2021. doi: 10.1103/PhysRevLett.127.052302

文/Alan Chiu

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