擦身而過(guò)，也能照亮原子核內(nèi)部

在粒子加速器中，粒子可以被加速到接近光速，再彼此對(duì)撞。這些高能碰撞會(huì)產(chǎn)生大量亞原子碎片，科學(xué)家可以通過(guò)研究這些碎片，重建構(gòu)成物質(zhì)的核心基本單元。長(zhǎng)期以來(lái)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）最受關(guān)注的，往往是那些“正面相撞”的劇烈事件：高速粒子迎頭撞上，釋放出復(fù)雜而豐富的信號(hào)。

但物理學(xué)家早已知道，當(dāng)帶電粒子被加速到接近光速的速度時(shí)，它們周圍會(huì)包裹著一層電磁“暈”。這時(shí)，當(dāng)它們彼此“擦身掠過(guò)”卻并未真正發(fā)生正面碰撞時(shí)，這層電磁暈會(huì)被壓扁。這種被壓扁電磁場(chǎng)能產(chǎn)生極高能的光子。這些光子隨后可與另一個(gè)原子核發(fā)生相互作用，形成所謂的光核相互作用。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究中，LHC的CMS合作組分析了LHC中的鉛-鉛（Pb-Pb）的碰撞數(shù)據(jù)，研究了高能光子與鉛核之間的光核相互作用，并首次測(cè)量了這種過(guò)程中D?介子的產(chǎn)生。

為什么盯上D?介子

D?介子是一類含有粲夸克的亞原子粒子，而粲夸克是一種通常不存在于普通核物質(zhì)中的稀有夸克。夸克是構(gòu)成質(zhì)子、中子等強(qiáng)子的基本粒子，而將它們束縛在一起的是膠子——負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)相互作用的載力粒子。

由于粲夸克通常只能在高能相互作用中產(chǎn)生，因此當(dāng)高能光子與原子核發(fā)生相互作用并產(chǎn)生D?介子時(shí)，后者的數(shù)量、方向和能量，都與原子核內(nèi)膠子的分布和密度密切相關(guān)。如果能夠探測(cè)并測(cè)量這種光核相互作用，那就好比用一個(gè)極其微小卻極其強(qiáng)大的手電筒照亮核結(jié)構(gòu)。

但一直以來(lái)，物理學(xué)家并不認(rèn)為，有可能從各種碰撞造成的巨大混亂中剝離出信號(hào)，從而聚焦到單個(gè)光子與原子核發(fā)生相互作用并產(chǎn)生一個(gè)D?介子的過(guò)程上。因此研究人員必須設(shè)計(jì)出一套系統(tǒng)，能夠在采集粒子碰撞數(shù)據(jù)的同時(shí)，也識(shí)別出那些極其罕見(jiàn)的光核相互作用。

從海量數(shù)據(jù)中捕捉信號(hào)

在新的研究中，研究人員首先模擬了在大量的其他粒子碰撞過(guò)程中，光核相互作用會(huì)呈現(xiàn)出怎樣的樣子。他們特別模擬了這樣一種情形：一個(gè)光子與一個(gè)原子核發(fā)生相互作用，并產(chǎn)生一個(gè)D?介子。盡管這類事件十分罕見(jiàn)，但在所有含有粲夸克的粒子中，D?介子已算是較為常見(jiàn)的一類。研究人員據(jù)此認(rèn)為，如果能夠識(shí)別出這些由光核相互作用產(chǎn)生的D?介子，就有望借助它們追蹤粲夸克的產(chǎn)生過(guò)程，并進(jìn)一步獲得關(guān)于維系原子核的膠子的寶貴信息。

研究人員隨后開(kāi)發(fā)出一種用于探測(cè)光核相互作用的算法。他們將這一算法部署在CMS探測(cè)器上，以便在LHC進(jìn)行粒子對(duì)撞運(yùn)行期間實(shí)時(shí)搜索信號(hào)。他們需要收集數(shù)百億次碰撞數(shù)據(jù)，才能從中提取出幾百個(gè)這樣的罕見(jiàn)事件。

利用CMS先進(jìn)的探測(cè)能力，研究人員從龐大的數(shù)據(jù)集中篩選出“擦身而過(guò)”的事件，再通過(guò)重建D?介子的性質(zhì)，最終獲得了一組背景干擾較少的罕見(jiàn)目標(biāo)事件樣本。隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用探測(cè)到的D?介子，再反推出這些粒子中的粲夸克，以及在原始原子核中將它們束縛在一起的膠子的性質(zhì)。

打開(kāi)研究膠子的新窗口

到目前為止，這些數(shù)據(jù)與人們對(duì)高密度核物質(zhì)的預(yù)期一致。而且這是首次表明，這類測(cè)量是可行的。現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)正在努力提高這種測(cè)量的精度，以便更清晰地描繪夸克和膠子在原子核內(nèi)部是如何排布的。

膠子所體現(xiàn)的是一種極其強(qiáng)大的作用力，它讓宇宙維系在一起。對(duì)強(qiáng)相互作用的描述，是我們?cè)谧匀唤缰锌吹降囊磺惺挛锏幕A(chǔ)。而這項(xiàng)研究表明，物理學(xué)家如今有了一種新方法，可以更嚴(yán)格地檢驗(yàn)現(xiàn)有的強(qiáng)相互作用描述，并尋找其與真實(shí)情況之間可能存在的偏差。

#參考來(lái)源：

https://news.mit.edu/2026/near-misses-particle-accelerators-can-illuminate-new-physics-0326

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/lckg-sdh9

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：CMS Collaboration