能量與質量是硬幣兩面,首證明光子碰撞產生物質、反物質的過程

作者 | 發布日期 2021 年 08 月 13 日 16:54 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


宇宙學中有不少謎團與反物質有關,但反物質很少見又難在實驗室中製造,至今都無法深入研究。現在,物理學家利用相對論性重離子對撞機越過幾十年前無法逾越的理論之牆,首度見證光子碰撞產生物質、反物質證據的 Briet-Wheeler 過程。

物理定律指出,大爆炸後常規物質粒子都帶有一個反粒子,也就是說每個帶負電的電子伴隨一個帶正電的正電子、每個氫原子都有一個反氫原子等,如果一個反粒子碰上一個粒子,它們會相互湮滅並以光的形式釋出能量。理論上,大爆炸產生了數量相當的粒子與反粒子,但為什麼現今宇宙主要由正物質構成、反物質幾乎不見蹤跡,便成為一大謎團。

物理學家 Gregory Breit、John A. Wheeler 於 1934 年提出了 Briet-Wheeler 過程,指出當兩個光子以極大力道相互撞擊時會產生正負電子對,也就是愛因斯坦著名方程 E=mc的直接結果:光可從能量轉化為質量。然而用來驗證該理論的高能伽馬射線束幾乎無法靠任何技術產生,對此,Gregory Breit、John A. Wheeler 提出另一種替代方式:重離子加速。

而這就是科學家正在利用相對論性重離子對撞機(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)進行的 STAR 實驗。

79 個帶正電荷的金(Au)離子在接近光速中產生強大圓形磁場,強度可以等於垂直電場強度,當兩個金離子以 99.995% 光速往相反方向移動、彼此通過而不發生碰撞時,來自離子周圍電磁雲的兩個光子可以相互作用形成物質-反物質對:電子e-和正電子e+),像雲一樣跟著移動

▲ 兩個金離子(紅色)以 99.995% 光速往相反方向移動、彼此通過而不發生碰撞時,離子周圍的兩個光可以相互作用形成物質-反物質對。

研究團隊便從過程中尋找光子碰撞是否產生正負電子對,並因此觀察到 6,085 個獨特電子-正電子對,首度找到光子碰撞後產生物質、反物質的 Briet-Wheeler 過程。

這項重大發現不只為 80 多年前預測的物理現象提供了確鑿證據,更是對愛因斯坦方程的強力證明,E=mc 2  指出能量與物質(質量)可以互換,比如太陽、核電廠中的核反應將物質轉化為能量,現在,我們首度看見光子從能量轉為質量的證據。

此外,同實驗還有證據表明磁力可在真空中沿著不同路徑彎曲極化光子。

研究人員下一個實驗挑戰將是以伽馬射線級能量粉碎光子。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊。

(圖片來源:布魯克黑文國家實驗室