首次！物理學家發現了迄今為止由光碰撞產生物質的最強證據

根據理論，如果你把兩個光子狠狠地撞在一起，你就能產生物質，也就是電子-正電子對（electron-positron pair）。根據愛因斯坦的狹義相對論，光轉化為質量。

它被稱為“布賴特-惠勒”（Breit-Wheeler）過程，由Gregory Breit和John A。 Wheeler在1934年首次提出，我們有充分的理由相信它會起作用。

但是直接觀察只涉及兩個光子的純現象仍然是難以實現的，主要是因為光子需要極高的能量（即伽馬射線），而我們還沒有技術來建造伽馬射線鐳射器。

現在，布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的物理學家們說，他們已經找到了一種方法，利用該實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）繞過這個障礙，從而直接觀察到布萊特-惠勒過程的執行。

“在他們的論文中，Breit和Wheeler已經意識到這幾乎是不可能做到的，”布魯克海文實驗室的物理學家Zhangbu Xu說。

“那時鐳射還不存在呢！”但是Breit和Wheeler提出了一個替代方案：加速重離子。他們的替代方案正是我們在RHIC所做的。”

但是加速離子和光子碰撞有什麼關係呢？正如對撞機的名字所暗示的那樣，這個過程包括加速離子——原子核剝離電子。因為電子帶負電荷，而質子（在原子核內）帶正電荷，剝離後原子核帶正電荷。元素越重，它的質子就越多，產生的離子的正電荷就越強。

研究小組使用了金離子，它含有79個質子和一個強大的電荷。當金離子被加速到非常高的速度時，它們會產生一個圓形磁場，其威力可與對撞機中的垂直電場相當。在它們相交的地方，這些相等的場可以產生電磁粒子或光子。

“所以，當離子以接近光速的速度移動時，有一群光子圍繞著金核，像雲一樣隨它移動。”

在相對論重離子對撞機（RHIC）中，離子被加速到相對速度，即光速的很大一部分。在這個實驗中，金離子被加速到光速的99。995%。

這就是奇蹟發生的地方：當兩個離子擦肩而過時，它們的兩個光子云就會相互作用，併發生碰撞。碰撞本身無法被檢測到，但由此產生的電子-正電子對可以被檢測到。

然而，僅僅探測到電子-正電子對是不夠的。這是因為電磁相互作用產生的光子是虛光子，短暫地出現和消失，沒有與“真實”光子相同的質量。

要成為一個真正的Breit-Wheeler過程，兩個真正的光子需要碰撞——不是兩個虛光子，也不是一個虛光子和一個實光子。

在離子的相對論速度下，虛粒子可以表現得像真正的光子。值得慶幸的是，物理學家有一種方法可以分辨哪些電子-正電子對是由Breit-Wheeler過程產生的：碰撞產生的電子和正電子對之間的角度。

每一種型別的碰撞——虛擬-虛擬，虛擬-真實和真實-真實——都可以根據產生的兩個粒子之間的角度來識別。因此，研究人員檢測並分析了實驗中產生的6000多對電子-正電子對的角度。

他們發現，這些角度與真實光子之間的碰撞是一致的——Breit-Wheeler過程在起作用。

“我們還測量了系統的所有能量、質量分佈和量子數。”布魯克海文實驗室的物理學家丹尼爾·勃蘭登堡（Daniel Brandenburg）說。

“正如Breit和Wheeler最初預測的那樣，我們的結果為透過光的碰撞直接一步創造物質-反物質對提供了明確的證據。”

基於此可以很合理地提出這樣的論點——即我們不會直接首次探測到純粹的，單光子-光子佈雷特-惠勒（single photon-photon Breit-Wheeler）過程，直到我們碰撞光子接近伽馬射線的能量。

這項研究發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：https：//www。sciencealert。com/physicists-claim-they-ve-finally-observed-matter-being-made-out-of-colliding-light