怎么回事?物理学家检测到了一个不是粒子的“粒子”?

2019-04-15| 发布者: admin| 查看: |

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这听起来像是一个非常糟糕的物理谜题开头:我是一个k8凯发娱乐粒子,但实际上我又不算是;我在还没有被检测之前就消失了,但我却可以被看见。我打破了你对物理学的理解,但是又没有彻底改变你的知识。那我到底是谁?

这就是odderon粒子,这种粒子比它的名字所暗示的还要更加奇特。它最近可能在大型强子对撞机上被探测到(大型强子对撞机是最强大的原子加速器,粒子以接近光速的速度绕着瑞士___附近一个17英里长的环运动)。

非常复杂的粒子

首先,odderon并不是真正的粒子。我们所谓的粒子通常是非常稳定的,例如电子、质子、夸克、中微子等等,你可以把它们拿在手里随身携带,甚至就连你的手也是由它们组成的,但你的手不会很快地消失在空气中,所以我们可以放心地假设组成你的手的基本粒子是长期存在的。

但也有一些不会持续存在很长时间,但仍然被称为粒子的微粒。虽然它们的寿命很短,但它们仍然是粒子,它们是自由的、独立的,能够独自存在,不受任何相互作用的影响——这就是真正粒子的特征。

然后还有所谓的准粒子,它只比非粒子距离粒子近那么一点点。准粒子并不完全算是粒子,但也不完全算是虚构的粒子,反正…就是很复杂。

特别是粒子在超高速下的相互作用的时候,它们的表现会变得尤其复杂。当两个质子以接近光速相互撞击时,它们不是像两个台球撞在一起一样,它们更像是两团水母互相摇晃着撞在一起,在撞击的过程中它们的内脏会被撞得七零八落,然后再重新排列变回水母。

准粒子?

在所有这些复杂的混乱中有时会出现奇怪的模式。微小的粒子在眨眼间就会出现或消失,随之而来的是一个又一个稍纵即逝的粒子。有时这些稍瞬即逝的粒子闪光会以一个特定的序列或模式出现,但有时候出现的甚至根本就不是粒子的闪光,仅仅只是碰撞混合物中的振动——表明存在瞬态粒子的振动。

而正是在这里,物理学家们面临着一个数学难题。他们完全可以尝试描述所有导致这种兴奋模式的复杂混乱状态,或者他们也可以假装——纯粹是为了方便——这些模式是“粒子”本来的样子,并且假装这种“粒子”还有着奇怪的属性,比如负质量和随时间变化的自旋。

物理学家们选择了后者,于是准粒子就这样诞生了。准粒子是在高能粒子碰撞过程中出现的短暂的兴奋模式或能量波纹。但由于从数学上完全描述这种情况需要大量的工作,所以物理学家们走了点捷径,假装这些模式就是它们自己的粒子,但这样做只是为了在数学上更容易处理。所以,尽管准粒子肯定不是粒子,它们也被当作粒子一样对待。

这就像假装你叔叔讲的笑话很有趣,我们纯粹是为了方便起见才假装他的笑话“准”有趣。

中和几率

一种特殊的准粒子被称为odderon,早在20世纪70年代,人们就已经预言了它的存在。人们认为,当奇数个夸克(构成物质的微小粒子)在质子和反质子碰撞过程中短暂地闪进闪出时,准粒子就会出现。如果在这个碰撞场景中出现了odderon,那么粒子与它们自己和它们的反粒子之间的碰撞截面(物理学术语,指一个粒子与另一个粒子碰撞的容易程度)将会有细微的差别。

例如,如果我们把一堆质子撞在一起,我们可以计算出这个碰撞的碰撞截面,然后,我们可以在质子-反质子碰撞中重复这个计算。在一个没有odderon的世界里,这两个横截面应该是相同的。但是,odderon的出现改变了这种情况——这些我们称为odderon的短暂模式似乎在粒子-粒子碰撞中比反粒子-反粒子碰撞中表现得更友好,在反粒子-反粒子碰撞中,odderon会稍微改变碰撞截面。

问题是,这种差异被预测为非常非常小,所以你需要大量的事件(或碰撞)才能支持这样的发现。

现在,如果我们有一个巨大的粒子对撞机,并且它能频繁而有规律地以高能量进行质子和反质子碰撞实验的话,我们就能得到可靠的统计数据。哦,对了,我们也确实有这样的仪器:大型强子对撞机。

在3月26日一篇发表在arXiv预印本服务器上的论文中,TOTEM 合作团队(在高能物理的滑稽的术语缩写,TOTEM 代表“大型强子对撞机的总截面、弹性散射和衍射离解测量,TOTal cross-section, Elastic scattering and diffraction dissociation Measurement at the LHC”)报道,质子间碰撞实验的碰撞截面与质子-反质子碰撞实验的碰撞截面之间存在巨大的差异,而要解释这种差异,唯一的方法就是重拾这个几十年前就已经存在的odderon概念。对于这些数据虽然可能还有其他的解释(换句话说,其他形式的奇异粒子),但尽管看起来很奇怪,odderon似乎才是最好的选择。

TOTEM 是否发现了一些关于宇宙的新奇事物?这是肯定的。TOTEM 发现了一个全新的粒子吗?这倒没有,因为odderon是准粒子,而不是真正的粒子。它还能帮助我们进一步拓展已知物理的界限吗?这是肯定的。那它是否打破了已知的物理学?这也没有,因为我们已经在目前的理解中预测到odderon的存在。

这一切是不是很奇怪?