全球最大粒子加速器中的險些碰撞揭示強相互作用力奧秘

通過追蹤罕見的閃光，物理學家們正在繪制將萬物粘合在一起的無形膠水。

在每個原子的深處，都存在著一個由夸克和膠子組成的躁動世界——這些微小的基本構件將萬物（從巖石到恒星）維系在一起。幾十年來，物理學家們一直試圖理解這些粒子在極端條件下的行為。

"我們需要了解膠子在極端條件下的表現，因為膠子維系著宇宙。在目前，光核相互作用是我們研究膠子行為的最佳途徑，"麻省理工學院實驗物理學家、助理教授吉安·米歇爾·因諾琴蒂說道。

現在，因諾琴蒂和他的團隊利用大型強子對撞機（LHC），找到了一種窺探這個隱藏世界的新方法——不是通過猛烈的撞擊，而是通過"險些碰撞"。他們沒有讓粒子迎面相撞，而是關注粒子幾乎擦肩而過的瞬間。

這些曾被視為背景噪音的短暫相遇，如今揭示了強核力（將物質結合在一起的 fundamental force）的新行為。這一發現可能會改變科學家研究核物質的方式，并為理解宇宙的最基本層面開辟一條新路徑。

被忽視的罕見事件

像LHC這樣的粒子加速器，通常通過發射近光速的粒子束并使其對撞來工作。這些碰撞會產生大量更小的粒子，科學家通過分析這些粒子來重建原子內部的景象。

然而，這里存在一個復雜因素。除了這些正面碰撞，粒子還會持續產生"險些碰撞"的事件。當高速運動的粒子彼此靠近時，它們周圍會環繞著扁平化的電磁場——就像看不見的能量薄餅。這些場會產生能量極高的光子。

有時，其中一個光子會撞擊附近的原子核，這種相互作用被稱為光核相互作用。多年來，科學家們忽略了這些事件，因為它們非常罕見，且淹沒在海量的碰撞數據中。

"這些光核事件曾被視為人們想要消除的背景，"因諾琴蒂說。麻省理工學院的團隊則反其道而行之——他們將這種"險些碰撞"視為信號而非噪音。

將險些碰撞轉化為強大的顯微鏡

為了實現這一目標，研究人員首先模擬了這些光核事件應該呈現的樣子。他們關注一個非常特定的結果：產生一個D0介子，這是一種含有稀有粲夸克的粒子。

粲夸克通常不存在于日常物質中，只在高能條件下出現，因此成為了探測原子核內部的絕佳工具。接著，團隊開發了一種特殊的算法，能夠實時掃描數十億次粒子碰撞，從中挑選出光子撞擊原子核并產生D0介子的罕見事例。

他們在緊湊型繆子螺線管（CMS）探測器中部署了這一系統，CMS是對撞機上最大的探測器之一。然而，即便擁有如此先進的探測器，挑選出這些罕見的"險些碰撞"事件也是一項極其艱巨的任務。

"我們必須收集數百億次碰撞數據，才能從中提取出幾百個光子撞擊原子核并產生一個奇異D0介子粒子的罕見實例，"因諾琴蒂說。

通過研究產生的D0介子的能量、方向和數量，研究人員可以逆向推導，估算出膠子（將夸克結合在一起的粒子）在原子核內的分布情況。

他們的發現令人驚訝。當核物質被緊密壓縮并以極高的速度運動時，膠子開始表現出不尋常的行為。這證實了關于高密度核物質的長期理論預測，但更重要的是，它證明了這種新方法確實能夠測量到此類效應。

簡而言之，該團隊將過去被忽視的背景噪音，轉變成了一種超精密的顯微鏡——一種利用光本身來探測物質核心的顯微鏡。

微小粒子，重大突破

這項研究對物理學界具有廣泛的意義。例如，理解膠子的行為至關重要，因為它們主導著強相互作用力。對這種力的更清晰描繪，可以改進描述從核反應到大爆炸后早期宇宙等一切現象的理論。

"對強相互作用力的描述，是我們觀察自然界一切事物的基礎。現在我們有了一個途徑，可以完全證實該描述，或者找出其中的偏差，"因諾琴蒂補充道。

與傳統的基于碰撞的方法相比，該方法還提供了一種更清晰、更精確的方式來研究核結構。通過利用光核相互作用，科學家可以在沒有全粒子碰撞混亂的情況下探測物質。

然而，目前仍存在局限性。這些事件極其罕見，需要海量的數據集和高度精密的探測技術。當前的測量精度仍不足以全面描繪膠子在所有條件下的行為。

而這正是研究人員下一步的計劃。通過改進算法并收集更多數據，該團隊希望提高測量精度，并可能發現與現有理論的偏差。如果發現這樣的偏差，則可能預示著超越當前科學家認知的新物理學。

該研究發表在《物理評論快報》上。

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