了解光子碰撞有助于寻找标准模型之外的物理

　　欧洲核子研究组织大型强子对撞机的紧凑介子螺线管实验。来源：欧洲核子研究中心
　　莱斯大学的物理学家和他们的同事们刚刚证实了一个有87年历史的预测，即物质可以直接由光产生。他们详细说明了这一过程将如何影响未来对原始等离子体和标准模型之外的物理学的研究。
　　我们本质上是在研究光的碰撞，莱斯大学物理学和天文学副教授、发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上的这项研究的合著者李伟（WeiLi）说。
　　我们从爱因斯坦那里知道，能量可以转化为质量，粒子物理学家李说，他与数百名同事在高能粒子加速器上进行实验，如欧洲核研究组织的大型强子对撞机（LHC）和布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）。
　　像RHIC和LHC这样的加速器通常通过加速接近光速的原子碎片并使它们相互碰撞来将能量转化为物质。2012年在大型强子对撞机中发现希格斯粒子就是一个显著的例子。当时，希格斯粒子是标准模型（StandardModel）中最后一个未观测到的粒子。标准模型描述了原子的基本作用力和构成要素。
　　令人印象深刻的是，物理学家们知道标准模型只能解释宇宙中大约4的物质和能量。李教授说，本周由赖斯大学博士后研究员杨帅主持的这项研究，对研究标准模型之外的物理学具有启示意义。
　　有论文预测，你可以从这些离子碰撞中创造出新的粒子，在这些碰撞中我们有如此高的光子密度，这些光子光子相互作用可以创造出标准模型之外的新物理，李说。
　　杨说：要寻找新的物理，必须非常精确地理解标准模型过程。当人们建议使用光子光子相互作用来寻找新的物理学时，我们在这里看到的效应以前没有被考虑过。考虑到这一点非常重要。
　　当物理学家加速相反方向的重离子束并将它们指向对方时，就会产生这种效应。这些离子是像金或铅这样的大质量元素的原子核，而离子加速器对于研究强力特别有用，这种强力将原子核中的中子和质子中的夸克束缚在一起。物理学家利用重离子碰撞来克服这些相互作用，并观察夸克和胶子，夸克和胶子通过强作用力相互作用时交换粒子。
　　但原子核并不是重离子加速器中唯一会发生碰撞的东西。离子束也会产生电场和磁场，这些电场和磁场用自己的光云将束中的每个原子核包裹起来。这些云随着原子核移动，当来自相反光束的云相遇时，被称为光子的单个光粒子可以迎面相遇。
　　在7月发表的一项PRL研究中，Yang和他的同事利用RHIC的数据表明光子光子碰撞从纯能量中产生物质。在实验中，轻碰撞与原子核碰撞同时发生，产生了一种叫做夸克胶子等离子体（QGP）的原始汤。
　　在RHIC中，你可以让光子光子碰撞在形成夸克胶子等离子体的同时产生质量，杨说。所以，你在夸克胶子等离子体内部创造了新的质量。
　　杨博士2018年发表在PRL上的关于RHIC数据的博士论文表明，光子碰撞可能会以一种轻微但可测量的方式影响等离子体。李说，这既有趣又令人惊讶，因为光子碰撞是一种电磁现象，而夸克胶子等离子体是由强力主导的，比电磁力强得多。
　　要与夸克胶子等离子体进行强烈的相互作用，只有电荷是不够的，李说。你不会期望它与夸克胶子等离子体发生非常强烈的相互作用。
　　他说，人们提出了各种各样的理论来解释杨的意外发现。
　　一种提出的解释是，光子光子相互作用看起来不同，不是因为夸克胶子等离子体，而是因为两个离子彼此更接近，李说。这与量子效应以及光子如何相互作用有关。
　　杨推测，如果是量子效应造成了这种异常现象，当离子彼此擦肩而过，但各自的光云中的光子发生碰撞时，就会产生可检测的干涉图样。
　　所以这两个离子不会直接碰撞，杨说。他们实际上是经过的。它被称为超外围碰撞，因为光子会碰撞，但离子不会碰撞。
　　理论认为，超外围光子光子碰撞的量子干涉模式应与通过的离子之间的距离成正比。利用大型强子对撞机紧密型介子螺线管（CMS）实验的数据，杨、李和同事们发现，他们可以通过测量一些完全不同的东西来确定这个距离或碰撞参数。
　　欧洲核子研究组织大型强子对撞机的紧凑介子螺线管实验。来源：欧洲核子研究中心
　　这两个离子，当它们靠近时，离子被激发并开始发射中子的可能性就会更高，中子会沿着束流线直走，Li说。我们在CMS有一个探测器。
　　每次超外围光子光子碰撞都会产生一对名为子的粒子，它们通常会从碰撞的相反方向飞出。正如理论预测的那样，Yang，Li和同事们发现量子干涉扭曲了介子的离开角度。而近距离发射的离子之间的距离越短，扭曲就越大。
　　李说，这种效应是由光子碰撞的运动引起的。虽然每个光子都随其主离子向光束的方向移动，但光子也可以远离它们的主离子。
　　光子也有垂直方向的运动，他说。事实证明，确实如此，随着撞击参数越来越小，垂直运动越来越强。
　　这让它看起来像是有什么东西在修改子，李说。他说：看起来一个人的发展角度和另一个人不同，但事实并非如此。这是光子运动方式改变的假象，垂直于光束方向，在产生介子的碰撞之前。
　　杨说，这项研究解释了他之前发现的大多数异常现象。同时，该研究为控制光子相互作用的冲击参数建立了一种新的实验工具，将产生深远的影响。
　　他说：我们可以轻松地说，大部分是来自QED效应。但这并不排除夸克胶子等离子体仍然存在相关效应。这项工作给了我们一个非常精确的基线，但我们需要更精确的数据。我们还有至少15年的时间在CMS收集QGP数据，数据的精度将越来越高。