物理學家發(fā)現(xiàn)了神奇“粒子”---奇子

北京時間5月4日消息，讓我們從一個表面上看起來非常糟糕的物理學謎語開始：這是一種還不是真正粒子的粒子;甚至在這種粒子能被探測到之前它就已經(jīng)消失了，然而還是可以被看到;它打破了人們對物理學的理解，但并沒有徹底改寫物理學知識。

它是什么?

看到這里你可能已經(jīng)一頭霧水，讓我們來揭曉謎底：它就是被稱為“奇子”(odderon)的亞原子準粒子。直到不久前，科學家才用大型強子對撞機(LHC)發(fā)現(xiàn)了這種粒子存在的可能證據(jù)。坐落于瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機是世界上最強大的粒子“粉碎機”，可以在周長達到27公里的隧道中將粒子加速到接近光速。

復雜的奇子

首先，奇子并不是真正的粒子。我們通常認為粒子是相當穩(wěn)定的，比如電子、質子、夸克、中微子等。你可以將這些粒子拿在手里，隨身攜帶——確切地說，你的手實際上就是由它們構成的。而且，你的手并不會在稀薄的空氣中很快消失，因此可以放心地假設構成手的基本粒子可以長期存在。還有一些粒子雖然不會持續(xù)很長時間，但仍然被稱為粒子。盡管壽命短暫，但它們是自由、獨立的，并且可以獨自存在，不參與任何相互作用，這些都是一個真正粒子的標志。

然后就是所謂的準粒子(quasiparticle)，它們只比“根本不是粒子”更進了一步。準粒子并不完全是粒子，但它們也不是完全虛構的。它們只是……比較復雜。

確實很復雜。特別是，高速運動的粒子在相互作用時的情況本身就十分復雜。當兩個質子以接近光速的速度撞擊時，并不會像臺球碰撞那樣裂開，而更像是兩只水母晃動著撞向對方，將各自的內臟翻出來，在一切重新排列之后又恢復成水母的模樣，各自分開。

什么是準粒子?

在所有這些復雜的混亂中，有時會出現(xiàn)奇特的模式。微小的粒子在眨眼間突然蹦出來，緊接著又有一個稍縱即逝的粒子出現(xiàn)，然后又出現(xiàn)一個。有時這些粒子的閃爍會以特定的序列或模式出現(xiàn);有時甚至根本就不是粒子的閃爍，而只是碰撞混沌中的振動——表明某種瞬態(tài)粒子出現(xiàn)的振動。

在這里，物理學家面臨一個數(shù)學上的兩難困境。他們可以嘗試完整描述導致這些模式的復雜混亂，也可以假裝——純粹是為了方便起見——這些模式本身就是“粒子”，但具有奇特的屬性，比如負質量和隨時間而改變的自旋。

物理學家選擇了后一個選項，于是準粒子就誕生了。準粒子其實是短暫、活躍的能量模式，出現(xiàn)在高能粒子的碰撞中。由于在數(shù)學上完整描述這類情況需要大量的工作，因此物理學家采取了一些捷徑，假裝這些模式本身是粒子。這么做只是為了在數(shù)學上更容易處理。因此，準粒子被當作粒子來對待，即使它們本身絕對不是粒子。

奇子之“奇”

奇子是一種特殊的準粒子，在20世紀70年代時就被預測存在?？茖W家認為，奇子出現(xiàn)于質子和反質子碰撞過程中奇數(shù)個夸克短暫閃爍并轉瞬即逝的時候。如果在這個碰撞場景中出現(xiàn)了奇子，那么粒子自身的碰撞與粒子和反粒子的碰撞之間就存在橫截面(物理學上描述一個粒子撞擊另一粒子容易程度的術語)的細微差異。

因此，如果我們將一大堆質子碰撞在一起，那我們就可以計算出這種相互作用的橫截面;然后，我們再進行質子-反質子的碰撞，計算出橫截面。如果沒有奇子，那這兩個橫截面應該是完全相同的。奇子改變這一切。這些轉瞬即逝的模式在粒子-粒子碰撞中比在反粒子-反粒子碰撞中更容易出現(xiàn)，從而使橫截面發(fā)生了細微改變。

令人頭疼的是，這種差異預計會極其細微，只有在進行大量碰撞之后你才能宣稱檢測到奇子的證據(jù)。

如果我們有一臺巨大的粒子對撞機，它經(jīng)常將質子和反質子一起“粉碎”，并且碰撞次數(shù)足夠多，碰撞的能量足夠高，那我們就能獲得可靠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。沒錯，我們說的就是大型強子對撞機。

在3月26日在線發(fā)表于預印本網(wǎng)站arXiv的一篇論文中，TOTEM(全截面彈性散射偵測器)協(xié)作團隊報道了質子相互碰撞與質子-反質子碰撞之間的橫截面顯著差異。解釋這種差異的唯一方法就是重拾幾十年前關于奇子的預測。這些數(shù)據(jù)可能還有其他解釋(換句話說，可能還有其他形式的奇特粒子)，但奇子似乎是最好的候選。

TOTEM發(fā)現(xiàn)了一些關于宇宙的新東西嗎?

奇子是否仍然有助于我們突破已知物理學的界限?當然。奇子會顛覆已知的物理學嗎?不，因為科學家就是根據(jù)已知物理學的理解做出了奇子的預測。

對于神奇的奇子，大家有什么想法，歡迎在下方留言評論！