第1个回答 2022-08-22
根据理论，如果你把两个光子狠狠地撞在一起，你就能产生物质：电子 — 正电子对。根据爱因斯坦的狭义相对论，光转化为质量。
它被称为“ 布雷特-惠勒（ Breit-Wheeler）”过程，由Gregory Breit和John A. Wheeler在1934年首次提出，我们有充分的理由相信它会起作用。
但是，直接观察只涉及两个光子的纯现象仍然是难以实现的，主要是因为光子需要极高的能量（即伽马射线），而我们还没有制造伽马射线激光器的技术。
现在，布鲁克海文国家实验室的物理学家表示，他们已经找到了一种方法，利用该实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）绕过这个障碍，从而直接观察了 Breit-Wheeler 过程。
布鲁克海文实验室的物理学家说道：“在当时， 布雷特和惠勒 已经意识到这几乎是不可能做到的，那时激光甚至还不存在！但是， 布雷特和惠勒 提出了一个替代方案：加速重离子。他们的替代方案正是现在我们在 RHIC 所做的。”
但是加速离子与光子碰撞有什么关系呢？ 好吧，我们可以解释一下。
正如对撞机的名称所暗示的那样，该过程涉及加速离子 —— 原子核被剥夺了电子。 因为电子带负电荷，而质子（在原子核内）带正电荷，剥离它会使原子核带正电荷。 元素越重，它拥有的质子越多，生成的离子的正电荷就越强。
该团队使用了包含79个质子和强大电荷的金离子。当金离子被加速到非常高的速度时，它们会产生一个圆形磁场，其强度可以与对撞机中的垂直电场一样强大。 在它们相交的地方，这些相等的场可以产生电磁粒子或光子。
物理学家解释道：“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 中，离子被加速到相对论速度，即接近光速。 在这个实验中，金离子被加速到光速的 99.995%。
这就是奇迹发生的地方：当两个离子彼此擦肩而过时，它们的两个光子云可以相互作用并碰撞。 碰撞本身无法被检测到，但由此产生的电子 — 正电子对可以被检测到。
然而，仅仅探测到电子 — 正电子对是不够的。
上图：这张图显示了金离子险些相撞时如何产生光子碰撞。
这是因为电磁相互作用产生的光子是虚拟光子，短暂地出现和消失，没有与“真实”光子相同的质量。要成为一个真正的Breit-Wheeler过程，两个真正的光子需要碰撞 —— 不是两个虚光子，也不是一个虚光子和一个实光子。
在离子的相对论速度下，虚拟粒子的行为就像真实的光子。 值得庆幸的是，物理学家可以通过一种方法判断 Breit-Wheeler 过程产生了哪些电子 — 正电子对：碰撞产生的电子和正电子之间的角度。
每种类型的碰撞：虚拟 - 虚拟、虚拟 - 真实和真实 - 真实，可以根据产生的两个粒子之间的角度来识别。 因此，研究人员检测并分析了实验过程中产生的6000多个正负电子对的角度。
他们发现这些角度与真实光子之间的碰撞是一致的：Breit-Wheeler 过程在起作用。
布鲁克海文实验室的物理学家表示：“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是一致的。 正如 布雷特和惠勒 最初预测的那样，我们的结果为通过光的碰撞直接一步创造物质 — 反物质对提供了明确的证据。”
这个论点可以非常合理地提出，在我们碰撞接近伽马射线能量的光子之前，我们不会直接第一次检测到纯的单光子 — 光子Breit-Wheeler过程。
尽管如此，该团队的工作还是非常引人注目的。至少，它表明我们正在与 布雷特和惠勒 建立了正确的关系。