物理学家发现迄今为止由光碰撞产生物质的最强证据

导读：如果把两个光子狠狠地撞在一起那么就能产生物质：一个正负电子对，根据爱因斯坦的狭义相对论，光转化为质量。

据外媒报道，根据理论，如果把两个光子狠狠地撞在一起那么就能产生物质：一个正负电子对，根据爱因斯坦的狭义相对论，光转化为质量。这个过程被称为布莱特-惠勒(Breit-Wheeler)过程，由Gregory Breit和John A. Wheeler在1934年首次提出，现在我们有充分的理由相信它会起作用。

但直接观察只涉及到两个光子的纯现象仍难以实现，主要是因为光子需要极高的能量（即伽马射线），而我们还没有技术来建造伽马射线激光器。

现在，布鲁克海文国家实验室的物理学家们表示，他们已经找到了一种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到布莱特-惠勒过程运行的方法。

“在他们的论文中，Breit和Wheeler已经意识到这几乎是不可能做到的，”布鲁克海文实验室的物理学家Zhangbu Xu说道，“那时激光还不存在呢！但Breit和Wheeler提出了一个替代方案：加速重离子。他们的替代方案正是我们在RHIC所做的。”

但加速离子和光子碰撞有什么关系呢？

正如对撞机的名字所暗示的那样，这个过程包括加速离子-原子核剥离电子。由于电子带负电荷，而质子（在原子核内）带正电荷，所以剥离后原子核带正电荷。元素越重，它的质子就越多，产生的离子的正电荷就越强。

研究小组使用了金离子，其含有79个质子和一个强大的电荷。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，其威力可跟对撞机中的垂直电场相当。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。

Xu表示：“所以，当离子以接近光速的速度移动时，有一群光子围绕着金原子核，像云一样随它移动。”

在RHIC中，离子被加速到相对速度，即光速的很大一部分。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：当两个离子擦肩而过时，它们的两个光子云就会相互作用并发生碰撞。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，仅仅探测到正负电子对是不够的。

图显示了金离子险些相撞产生的光子碰撞

这是因为电磁相互作用产生的光子是虚光子，它会短暂地出现和消失且没有跟“真实”光子相同的质量。

要实现一个真正的布莱特-惠勒过程则需要两个真正的光子发生碰撞--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，虚粒子可以表现得像真正的光子。值得庆幸的是，物理学家有一种方法可以分辨哪些电子-正电子对是由布赖特-惠勒过程产生的：碰撞产生的电子和正电子对之间的角度。

每一种类型的碰撞--虚拟-虚拟、虚拟-真实和真实-真实--都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中产生的6000多对正负电子对的角度。

他们发现，这些角度跟真实光子之间的碰撞是一致的--布莱特-惠勒过程在起作用。

“我们还测量了系统的所有能量、质量分布和量子数，”布鲁克海文实验室的物理学家Daniel Brandenburg说道，“正如Breit和Wheeler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。”