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    [導讀]奇子是準粒子,本身并不是真正的粒子,但它仍然有助于我們突破已知物理學的界限。

    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)發現了這種粒子存在的可能證據。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,然后又出現一個。有時這些粒子的閃爍會以特定的序列或模式出現;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——表明某種瞬態粒子出現的振動。

    在這里,物理學家面臨一個數學上的兩難困境。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,出現在高能粒子的碰撞中。由于在數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。科學家認為,奇子出現于質子和反質子碰撞過程中奇數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,從而使橫截面發生了細微改變。

    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。

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

    在3月26日在線發表于預印本網站arXiv的一篇論文中,TOTEM(全截面彈性散射偵測器)協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。這些數據可能還有其他解釋(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發現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!

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