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發現不是粒子的粒子,還沒發現就消失了,但是被看見了!


博科園這聽起來像是一個非常糟糕的物理謎題開始:「我是一個實際上不是粒子的粒子,我在還沒被發現之前就消失了,但卻被看見了」。我打斷了你對物理學...

- 2019年4月01日22時32分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

這聽起來像是一個非常糟糕的物理謎題開始:「我是一個實際上不是粒子的粒子,我在還沒被發現之前就消失了,但卻被看見了」。我打斷了你對物理學的理解,但沒有徹底改變你的知識,請問我是誰?(看完這句是不是很迷?不急,待「博科園」為你慢慢道來)它是一種奇特的粒子,比它的名字所暗示的更加奇特,而且它可能在大型強子對撞機上被探測到。大型強子對撞機是目前世界上最強大的粒子加速器,粒子以接近光速的速度繞著瑞士日內瓦附近一個17英里(27公里)長的環飛馳。

博科園-科學科普:首先,「odderon」並不是真正的粒子,我們所認為的粒子通常是非常穩定的:電子、質子、夸克、中微子等。你可以把它們拿在手裡,隨身攜帶,比如你的手真就是由它們組成,你的手不會很快消失在稀薄的空氣中,所以我們可以放心地假設基本粒子是長期存在的。還有一些粒子不會持續很長時間,但仍然被稱為粒子。儘管它們的壽命很短,但它們仍然是粒子。它們是自由、獨立的,能夠獨立存在,不受任何相互作用的影響——這就是真實粒子的特徵。

然後是所謂的准粒子,它只比非粒子高一步,准粒子並不完全是粒子,但也不完全是虛構的,只是…太複雜了。就像,字面上的複雜。特別是,粒子在超高速下的相互作用變得複雜。當兩個質子以接近光速相互撞擊時,就不像兩個撞球撞在一起。這更像是兩團水母互相搖晃著,它們的內臟翻了個底朝天,所有的東西都重新排列好了,然後在它們出來的時候變成水母。在所有這些複雜的混亂中,有時會出現奇怪的模式。微小粒子在眨眼間就會出現或消失,隨之而來的是另一個稍縱即逝的粒子。有時這些「閃光」的粒子出現在一個特定序列或模式。


有時甚至根本不是粒子的閃光,而僅僅是碰撞混合物中的振動——表明存在瞬態粒子的振動。正是在這裡,物理學家們面臨著數學難題,他們要麼試圖全面描述導致這些泡狀圖案的所有複雜混亂,要麼假裝(純粹是為了方便)這些圖案本身就是「粒子」,但具有一些奇怪的性質,比如負質量和自旋隨時間而變化。物理學家選擇後者,准粒子就這樣誕生了。准粒子是在高能粒子碰撞過程中出現短暫的、冒泡的模式或能量波紋。但由於需要大量的跑腿工作才能從數學上完全描述這種情況,物理學家們走了一些捷徑,假裝這些模式是他們自己的粒子。

這樣做只是為了讓數學更容易處理。所以准粒子就像粒子一樣被對待,儘管它們肯定不是。這就像假裝你叔叔的笑話很有趣,純粹為了方便起見,假裝很有趣。於20世紀70年代預測一種特殊准粒子被稱為odderon,人們認為,當奇夸克(構成物質的微小粒子)在質子和反質子碰撞過程中短暫地閃進閃出時,就會出現這種現象。如果在這個碰撞場景中出現了奇偶體,那麼粒子與它們自己和它們的反粒子之間碰撞的橫截面(物理學術語,指一個粒子與另一個粒子碰撞的容易程度)將會有細微差別。

例如,如果把一堆質子撞在一起,可以計算出相互作用的橫截面。然後,可以在質子-反質子碰撞中重複。在一個沒有奇夸克的世界裡,這兩個橫截面應該是相同的。但是,奇偶子改變了這種情況——這些我們稱為奇偶子的簡短模式在粒子-粒子碰撞中比反粒子-反粒子碰撞中表現得更有利,而反粒子-反粒子碰撞會稍微改變橫截面。問題是,這種差異被預測為非常非常小,所以你需要大量的事件,或碰撞,才能聲稱發現。現在,如果我們有一個巨大的粒子對撞機,它能有規律地把質子和反質子撞在一起,並且以如此高的能量,如此頻繁地撞擊,就能得到可靠的統計數據。

在3月26日《arXiv》上發表的一篇最新論文中,TOTEM Collaboration

報告了質子撞擊其他質子和質子撞擊反質子的橫截面之間的顯著差異。要解釋這種差異,唯一的方法就是重現這個幾十年前就存在的關於odderon概念。對於這些數據可能還有其他的解釋(換句話說,其他形式的外來粒子),儘管看起來很奇怪。是否發現了一些關於宇宙的新奇事物?肯定的,發現了一個全新的粒子嗎?不,因為奇子是准粒子,而不是粒子本身。它還能幫助我們突破已知物理的界限嗎?肯定的。它是否打破了已知的物理學?不,因為在我們目前的理解中,預測會存在奇夸克。你覺得這一切有點奇怪嗎?


博科園-科學科普|文: Paul Sutter/Live Science


參考期刊文獻:《arXiv》

Cite: arXiv:1903.06992

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