能量与质量是硬币两面,首证明光子碰撞产生物质、反物质的过程

宇宙学中有不少谜团与反物质有关,但反物质很少见又难在实验室中制造,至今都无法深入研究。现在,物理学家利用相对论性重离子对撞机越过几十年前无法超过越的理论之墙,首度见证光子碰撞产生物质、反物质证据的Briet-Wheeler过程。

物理定律指出,大爆炸后常规物质粒子都带有一个反粒子,也就是说每个带负电的电子伴随一个带正电的正电子、每个氢原子都有一个反氢原子等,如果一个反粒子碰上一个粒子,它们会相互湮灭并以光的形式发布能量。理论上,大爆炸产生了数量相当的粒子与反粒子,但为什么现今宇宙主要由正物质构成、反物质几乎不见踪迹,便成为一大谜团。

物理学家Gregory Breit、John A. Wheeler于1934年提出了Briet-Wheeler过程,指出当两个光子以极大力道相互撞击时会产生正负电子对,也就是爱因斯坦著名方程E=mc2的直接结果:光可从能量转化为质量。然而用来验证该理论的高能伽马射线束几乎无法靠任何技术产生,对此,Gregory Breit、John A. Wheeler提出另一种替代方式:重离子加速。

而这就是科学家正在利用相对论性重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)进行的STAR实验。

79个带正电荷的金(Au)离子在接近光速中产生强大圆形磁场,强度可以等于垂直电场强度,当两个金离子以99.995%光速往相反方向移动、彼此通过而不发生碰撞时,来自离子周围电磁云的两个光子可以相互作用形成物质-反物质对:电子(e-)和正电子(e),像云一样跟着移动。

两个金离子(红色)以99.995%光速往相反方向移动、彼此通过而不发生碰撞时,离子周围的两个光可以相互作用形成物质-反物质对。

研究团队便从过程中寻找光子碰撞是否产生正负电子对,并因此观察到6,085个独特电子-正电子对,首度找到光子碰撞后产生物质、反物质的Briet-Wheeler过程。

这项重大发现不只为80多年前预测的物理现象提供了确凿证据,更是对爱因斯坦方程的强力证明,E=mc2指出能量与物质(质量)可以互换,比如太阳、核电厂中的核反应将物质转化为能量,现在,我们首度看见光子从能量转为质量的证据。

此外,同实验还有证据表明磁力可在真空中沿着不同路径弯曲极化光子。

研究人员下一个实验挑战将是以伽马射线级能量粉碎光子。新论文发布在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊。

(图片来源:布鲁克黑文国家实验室)

发表评论