在相對論重離子對撞機 (RHIC) 上研究粒子碰撞的科學家們已經為 80 多年前預測的兩種物理現象提供了確鑿的證據。結果來自對相對論重離子對撞機掠射粒子碰撞中產生的 6,000 多對電子和正電子的詳細分析，并發表在《物理評論快報》上。
主要發現是電子和正電子對——物質和反物質的粒子——可以通過碰撞高能光子直接產生，光子是光的量子“包” 。能量光轉化為物質是愛因斯坦著名的 E=mc2 方程的直接結果，該方程指出能量和物質(或質量)是可以互換的。太陽和核電站中的核反應經常將物質轉化為能量。現在，科學家們只需一步即可將光能直接轉化為物質。
第二個結果表明，光在真空中穿過磁場的路徑彎曲不同，這取決于光的偏振方式。當光穿過某些材料時，就會發生這種偏振相關的偏轉(稱為雙折射)。(這種效果類似于波長相關偏轉將白光分成彩虹的方式。)但這是真空中偏振相關光彎曲的首次演示。
這兩個結果都取決于相對論重離子對撞機的 STAR 探測器——相對論重離子對撞機的電磁跟蹤器——測量以接近光速移動的金離子的掠射碰撞中產生的粒子角分布的能力。
碰撞的光子云
當物理學家格雷戈里.布賴特和約翰.A.惠勒于 1934 年首次描述碰撞光粒子以產生電子對和它們的反物質對應物(稱為正電子)的假設可能性時，這種能力并不存在。
“在他們的論文中，布賴特和惠勒已經意識到這幾乎是不可能做到的，”布魯克海文實驗室物理學家、相對論重離子對撞機STAR Collaboration 的成員徐章武說。“激光甚至還不存在!但是布賴特和惠勒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相對論重離子對撞機所做的。”
離子本質上是一個裸原子，失去了它的電子。具有 79 個質子的金離子帶有強大的正電荷。將這種帶電重離子加速到非常高的速度會產生一個強大的磁場，當它行進時，它會圍繞著高速粒子旋轉——就像電流流過電線一樣。
“如果速度足夠高，圓形磁場的強度可以等于垂直電場的強度，”徐說。而這種強度相等的垂直電場和磁場的排列正是光子——光的量子化“粒子”。“所以，當離子以接近光速的速度運動時，金核周圍會有一堆光子，像云一樣隨它移動。”
在相對論重離子對撞機中，科學家們在兩個加速器環中將金離子加速到光速的 99.995%。
“我們有兩個光子云以足夠的能量和強度向相反的方向移動，當兩個離子擦過彼此而不發生碰撞時，這些光子場可以相互作用，”徐說。
STAR 物理學家跟蹤相互作用并尋找預測的正電子對。
但是這種粒子對可以通過相對論重離子對撞機的一系列過程產生，包括通過“虛擬”光子，一種短暫存在并帶有有效質量的光子狀態。為確保物質-反物質對來自真實光子，科學家必須證明“虛擬”光子的貢獻不會改變實驗結果。
為此，STAR 科學家分析了每個電子相對于其伙伴正電子的角度分布模式。對于由真實光子與虛擬光子相互作用產生的對，這些模式不同。
“我們還測量了系統的所有能量、質量分布和量子數。它們與真實光子會發生什么的理論計算一致，”布魯克海文實驗室的 Goldhaber 研究員丹尼爾.布蘭登伯格說，他分析了 STAR 數據這個發現。
其他科學家已經嘗試使用強大的激光——聚焦的強光光束——通過光的碰撞來制造正負電子對。但勃蘭登堡說，這些強光束中的單個光子還沒有足夠的能量。
1997 年美國加速器實驗室的一項實驗通過使用非線性過程取得了成功。那里的科學家首先必須通過與強大的電子束碰撞來提高一束激光束中光子的能量。在另一個激光產生的巨大電磁場中，增強的光子與多個光子同時碰撞，產生物質和反物質。
勃蘭登堡說：“我們的結果提供了明確的證據，表明光的碰撞可以直接、一步地產生物質 - 反物質對，正如布賴特和惠勒最初預測的那樣。” “得益于相對論重離子對撞機的高能重離子束和 STAR 探測器的大接受度和精確測量，我們能夠以高統計量分析所有運動學分布，以確定實驗結果確實與真實的光子碰撞一致。”
在真空中彎曲光線
STAR 能夠測量在這些事件中幾乎背靠背產生的電子和正電子的微小偏轉，這也為物理學家提供了一種研究輕粒子如何與加速離子產生的強大磁場相互作用的方法。
“在相對論重離子對撞機的一個光束中，圍繞金離子的光子云正射入另一個金光束中加速離子產生的強圓形磁場中，”山東大學的長期 STAR 合作者楊智說。整個職業生涯都在研究相對論重離子對撞機各種工藝產生的正負電子對。“觀察出來的粒子分布告訴我們偏振光如何與磁場相互作用。”
沃納.海森堡和漢斯.海因里希.歐拉在 1936 年，以及約翰.托爾在 1950 年代預測，真空可以被強大的磁場極化，并且這種極化的真空應該根據光子極化偏轉光子的路徑。托爾在他的論文中還詳細說明了磁場對光的吸收如何取決于偏振及其與真空中光的折射率的關系。這種偏振相關的偏轉或雙折射已在許多類型的晶體中觀察到。最近還有一份報告稱，來自中子星的光以這種方式彎曲，大概是因為它與恒星磁場的相互作用。但是沒有地球上的實驗在真空中檢測到雙折射。
在相對論重離子對撞機中，科學家們測量了光的偏振如何影響光是否被磁場“吸收”。
楊解釋說，這類似于偏光太陽鏡在某些光線與鏡片的偏振不匹配時阻止它們通過的方式。就太陽鏡而言，除了看到較少的光線通過之外，原則上您還可以測量鏡片材料在吸收被阻擋光線的能量時的溫度升高情況。在相對論重離子對撞機，吸收的光能是產生電子-正電子對的原因。
“當我們觀察相對論重離子對撞機光子-光子相互作用產生的產物時，我們看到產物的角分布取決于光的偏振角。這表明光的吸收(或通過)取決于它的兩極分化，”楊說。
這是第一個基于地球的實驗觀察，即偏振影響光與真空中磁場的相互作用——1936 年預測的真空雙折射。
“這兩項發現都建立在 20 世紀早期一些偉大物理學家的預測之上，”萊斯大學教授弗蘭克·蓋爾茨說，他的團隊建造并操作了STAR的最先進的 "飛行時間 "探測器組件，“這對于這次測量是必要的。它們基于最近才通過我們在相對論重離子對撞機開發的技術和分析技術實現的基本測量。”
