CERN首次看見高能量光與自己互動

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超環面儀器實驗

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一項很關鍵關於光的量子理論預測已經被歐洲核子研究組織(CERN)證實。歐洲研究所的物理學家第一次看見高能量的光子對光子相互作用,兩顆光粒子彼此「相撞」,並改變方向。

稱為光與光散射(light-by-light scattering)的過程,是量子電動力學(quantum electrodynamics,QED)最早的預測之一,即電磁學的量子理論。如同自然物理學(Nature Physics)期刊所報導,該團隊在2015年仔細檢查超過40億個事件,然後發現13個光子相互作用的候選者。

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這種現象逃避了數十年的觀察,由於超環面儀器實驗(ATLAS experiment)難以置信的(和增加的)能力,這種偵測才變成有可能。以前的計算認為,偵測器可能在重離子碰撞事件當中,發現光子相互作用的證據,鉛原子核在那裡猛烈撞擊在一起。

通常,重離子被用來研究宇宙中一些最極端的條件,其中的一些自大爆炸以來一直不存在。尋找它們是艱苦的工作,因為當離子束碰撞時,並沒有太多的鉛原子合併。由於這個原因,這些研究人員尋找其他可以讓他們在這些實驗中留意的東西,然後理解到重離子周圍的光子能夠突然彼此相互作用和彈出。

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ATLAS重離子物理學團隊召集人Peter Steinberg在一份聲明中說:「尋找這種罕見特徵的證據,需要為ATLAS偵測器開發出新的敏銳『觸發器』。特徵的結果是,兩個光子在空盪盪的偵測器中,與鉛核碰撞複雜事件的典型期待,幾乎是完全相反。新的觸發器在選擇這些事件的成功,展示出系統的能力和靈活性,以及​​設計和開發這個系統的分析和觸發器團隊的技能和專長。」

這項偵測具有4.4 sigmas的信任度,或99.9989%的信任度,幾乎是在黃金標準的5 sigmas,粒子物理學發現的門檻。當大型強子對撞機開始下一回合的重離子碰撞時,這個數字將在明年被改善。這些研究人員期待會比上一次有更多的碰撞。

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ATLAS物理學協調員Dan Tovey補充:「這個結果是一項里程碑:光在高能量的自我相互作用的第一個直接證據。這種現象在電磁學的傳統理論是不可能的,因此,這個結果為我們對量子電動力學的理解,提供一個敏銳的檢定。」

新數據肯定會改善精確度,甚至可能會發現新的和意料不到的物理學例子。

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來源:IFLScience