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RHIC-STAR实验首次证实由光产生物质的基本物理过程
同时观察到偏振光在磁场中折射的证据
2021-08-01 13:07:45 作者: 来源: 浏览次数:


近期,RHIC-STAR国际合作实验在世界上首次证实了从光产生物质的基本物理过程,并提供了真空中的偏振光在磁场作用下折射的实验证据。这两个过程分别于1934年和1936提出,距今已有80多年。实验结果发表在物理评论快报上【Phys. Rev. Lett. 127, 052302 (2021)。山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心杨驰教授和时任山东大学博士后(优秀海外博士引进项目资助)、现任美国布鲁克海文国家实验室Brookhaven National Laboratory, BNLGoldhaber fellowJames Daniel Brandenburg对该研究做出重要贡献。这项工作由BNL和山东大学研究团队主导完成,研究团队还包括来自中国科学技术大学、Rice UniversityCreighton University的科研人员。

实验观测到来自于光子-光子对撞产生的正反物质正负电子对。这个从光转化为物质的过程是爱因斯坦质能公式E=mc2的直接推论。质能公式告诉我们能量和物质(质量)是可以相互转化的。太阳及其他恒星中的核反应把物质转化为了能量。它的逆过程,正反电子湮灭产生双光子对, 早在1930年就由我国著名物理学家赵忠尧先生1902 -1998在加州理工大学实验室实现。1934Gregory BreitJohn A. Wheeler首次预言了光子对撞产生正负电子对的过程。虽然他们觉得这个物理过程几乎不可能通过实验测量(当时人造激光还不存在),但是预言可通过加速重离子提供实验条件。这RHIC在进行的工作通过加速两束金原子核到99.995%光速使核周围产生伴随其运动的光子云对撞。STAR的实验结果是科学家首次通过单次过程把来自于光的能量直接转化为物质。

国际上有很多超强激光对撞实验来探索类似的物理过程。但是,这些强激光束中的光子并没有足够的能量。SLAC实验在1997年把强激光束与强电子束对撞,首次通过多过程产生了正反物质。相对论重离子对撞中,1金原子核携带的光子云对撞可等效为约4000万次光子-光子对撞。





以接近光速运动的金原子核在相互“擦肩而过”时,伴随运动的“光子云”对撞产生正反物质-电子与正电子的示意图(图片来源:BNL)。



RHIC实验在海量数据中测量到了6000对来自于光子-光子相互作用产生的正负电子对。这些几乎背对背产生的正负电子对同时提供了测量光子与重离子对撞产生的超强磁场相互作用的机遇。Werner HeisenbergHans Heinrich Euler1936年以及John Toll1950年代均预言了超强磁场可以使得真空产生极化,并根据光的偏振性把其折射到不同方向。类似的偏振依赖的折射效应已经在多种晶体中被观测到。近期,科学家观察到经过中子星周围的光星球的磁场弯折的现象。但是,真空中的双折射现象在地表实验中还没有任何测量。  

RHIC实验测量了偏振光在强磁场中被吸收产生的正负电子对,看到了基于光偏振角的吸收(或通过)。这就类似偏光太阳镜的工作原理,在更少的光透过的同时,偏光镜片的温度在上升。值得一提的是,折射效应的实验测量受到了山东大学粒子科学技术研究中心周剑教授的理论研究团队的启发Phys. Lett. B 795, 576–580 (2019)该团队采用量子色动力学(QCD)计算中测量胶子极化所用的理论框架,首次提出量子电动力学(QED)中实光子对撞的角分布在RHIC实验中的测量方法。这是高能核物理领域理论研究引导实验测量的成功例子。


双折射效应示意图。RHIC-STAR的实验结果提供了双折射效应可在真空环境下的磁场中产生的证据(图片来源:BNL)。



RHIC-STAR实验由来自13个国家67个单位的700多位科研人员组成。研究数据分析部分主要由时任山东大学博士后的J.D. Brandenburg完成。实验结果由其代表STAR合作组在Quark Matter 2019国际会议上首次公开汇报。研究是建立在研究团队对RHIC上产生正负电子对末态的多个物理过程的长期研究上的。近年来,这个以BNL、山东大学和中国科学技术大学研究人员为主的团队先后发现了偏心对撞中双轻子的光致产生Phys. Rev. Lett. 121, 132301 (2018)、测量了偏心对撞中J/psi的光致产生Phys. Rev. Lett. 123, 132302 (2019)。系列工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部和山东大学等的资助。





相关链接:


RHIC-STAR实验论文: “Measurement of e+e momentum and angular distributions from linearly polarized photon collisions” , https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.052302


美国布鲁克海文国家实验室新闻链接(文中多次引用杨驰和J. D. Brandenburg的说明论述)https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=119023