物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了神奇“粒子”---奇子

北京時(shí)間5月4日消息，讓我們從一個(gè)表面上看起來非常糟糕的物理學(xué)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(cè)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(duì)物理學(xué)的理解，但并沒有徹底改寫物理學(xué)知識(shí)。

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(zhǔn)粒子。直到不久前，科學(xué)家才用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(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(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最強(qiáng)大的粒子“粉碎機(jī)”，可以在周長(zhǎng)達(dá)到27公里的隧道中將粒子加速到接近光速。

復(fù)雜的奇子

首先，奇子并不是真正的粒子。我們通常認(rèn)為粒子是相當(dāng)穩(wěn)定的，比如電子、質(zhì)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(shí)際上就是由它們構(gòu)成的。而且，你的手并不會(huì)在稀薄的空氣中很快消失，因此可以放心地假設(shè)構(gòu)成手的基本粒子可以長(zhǎng)期存在。還有一些粒子雖然不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，但仍然被稱為粒子。盡管壽命短暫，但它們是自由、獨(dú)立的，并且可以獨(dú)自存在，不參與任何相互作用，這些都是一個(gè)真正粒子的標(biāo)志。

然后就是所謂的準(zhǔn)粒子(quasiparticle)，它們只比“根本不是粒子”更進(jìn)了一步。準(zhǔn)粒子并不完全是粒子，但它們也不是完全虛構(gòu)的。它們只是……比較復(fù)雜。

確實(shí)很復(fù)雜。特別是，高速運(yùn)動(dòng)的粒子在相互作用時(shí)的情況本身就十分復(fù)雜。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子以接近光速的速度撞擊時(shí)，并不會(huì)像臺(tái)球碰撞那樣裂開，而更像是兩只水母晃動(dòng)著撞向?qū)Ψ?，將各自的?nèi)臟翻出來，在一切重新排列之后又恢復(fù)成水母的模樣，各自分開。

什么是準(zhǔn)粒子?

在所有這些復(fù)雜的混亂中，有時(shí)會(huì)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(gè)稍縱即逝的粒子出現(xiàn)，然后又出現(xiàn)一個(gè)。有時(shí)這些粒子的閃爍會(huì)以特定的序列或模式出現(xiàn);有時(shí)甚至根本就不是粒子的閃爍，而只是碰撞混沌中的振動(dòng)——表明某種瞬態(tài)粒子出現(xiàn)的振動(dòng)。

在這里，物理學(xué)家面臨一個(gè)數(shù)學(xué)上的兩難困境。他們可以嘗試完整描述導(dǎo)致這些模式的復(fù)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(fù)質(zhì)量和隨時(shí)間而改變的自旋。

物理學(xué)家選擇了后一個(gè)選項(xiàng)，于是準(zhǔn)粒子就誕生了。準(zhǔn)粒子其實(shí)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(xué)上完整描述這類情況需要大量的工作，因此物理學(xué)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(xué)上更容易處理。因此，準(zhǔn)粒子被當(dāng)作粒子來對(duì)待，即使它們本身絕對(duì)不是粒子。

奇子之“奇”

奇子是一種特殊的準(zhǔn)粒子，在20世紀(jì)70年代時(shí)就被預(yù)測(cè)存在?？茖W(xué)家認(rèn)為，奇子出現(xiàn)于質(zhì)子和反質(zhì)子碰撞過程中奇數(shù)個(gè)夸克短暫閃爍并轉(zhuǎn)瞬即逝的時(shí)候。如果在這個(gè)碰撞場(chǎng)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(xué)上描述一個(gè)粒子撞擊另一粒子容易程度的術(shù)語)的細(xì)微差異。

因此，如果我們將一大堆質(zhì)子碰撞在一起，那我們就可以計(jì)算出這種相互作用的橫截面;然后，我們?cè)龠M(jìn)行質(zhì)子-反質(zhì)子的碰撞，計(jì)算出橫截面。如果沒有奇子，那這兩個(gè)橫截面應(yīng)該是完全相同的。奇子改變這一切。這些轉(zhuǎn)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(xì)微改變。

令人頭疼的是，這種差異預(yù)計(jì)會(huì)極其細(xì)微，只有在進(jìn)行大量碰撞之后你才能宣稱檢測(cè)到奇子的證據(jù)。

如果我們有一臺(tái)巨大的粒子對(duì)撞機(jī)，它經(jīng)常將質(zhì)子和反質(zhì)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(jì)數(shù)據(jù)。沒錯(cuò)，我們說的就是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。

在3月26日在線發(fā)表于預(yù)印本網(wǎng)站arXiv的一篇論文中，TOTEM(全截面彈性散射偵測(cè)器)協(xié)作團(tuán)隊(duì)報(bào)道了質(zhì)子相互碰撞與質(zhì)子-反質(zhì)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(guān)于奇子的預(yù)測(cè)。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(guān)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(xué)的界限?當(dāng)然。奇子會(huì)顛覆已知的物理學(xué)嗎?不，因?yàn)榭茖W(xué)家就是根據(jù)已知物理學(xué)的理解做出了奇子的預(yù)測(cè)。

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