全球最大粒子加速器中的险些碰撞揭示强相互作用力奥秘

通过追踪罕见的闪光，物理学家们正在绘制将万物粘合在一起的无形胶水。

在每个原子的深处，都存在着一个由夸克和胶子组成的躁动世界——这些微小的基本构件将万物（从岩石到恒星）维系在一起。几十年来，物理学家们一直试图理解这些粒子在极端条件下的行为。

"我们需要了解胶子在极端条件下的表现，因为胶子维系着宇宙。在目前，光核相互作用是我们研究胶子行为的最佳途径，"麻省理工学院实验物理学家、助理教授吉安·米歇尔·因诺琴蒂说道。

现在，因诺琴蒂和他的团队利用大型强子对撞机（LHC），找到了一种窥探这个隐藏世界的新方法——不是通过猛烈的撞击，而是通过"险些碰撞"。他们没有让粒子迎面相撞，而是关注粒子几乎擦肩而过的瞬间。

这些曾被视为背景噪音的短暂相遇，如今揭示了强核力（将物质结合在一起的 fundamental force）的新行为。这一发现可能会改变科学家研究核物质的方式，并为理解宇宙的最基本层面开辟一条新路径。

被忽视的罕见事件

像LHC这样的粒子加速器，通常通过发射近光速的粒子束并使其对撞来工作。这些碰撞会产生大量更小的粒子，科学家通过分析这些粒子来重建原子内部的景象。

然而，这里存在一个复杂因素。除了这些正面碰撞，粒子还会持续产生"险些碰撞"的事件。当高速运动的粒子彼此靠近时，它们周围会环绕着扁平化的电磁场——就像看不见的能量薄饼。这些场会产生能量极高的光子。

有时，其中一个光子会撞击附近的原子核，这种相互作用被称为光核相互作用。多年来，科学家们忽略了这些事件，因为它们非常罕见，且淹没在海量的碰撞数据中。

"这些光核事件曾被视为人们想要消除的背景，"因诺琴蒂说。麻省理工学院的团队则反其道而行之——他们将这种"险些碰撞"视为信号而非噪音。

将险些碰撞转化为强大的显微镜

为了实现这一目标，研究人员首先模拟了这些光核事件应该呈现的样子。他们关注一个非常特定的结果：产生一个D0介子，这是一种含有稀有粲夸克的粒子。

粲夸克通常不存在于日常物质中，只在高能条件下出现，因此成为了探测原子核内部的绝佳工具。接着，团队开发了一种特殊的算法，能够实时扫描数十亿次粒子碰撞，从中挑选出光子撞击原子核并产生D0介子的罕见事例。

他们在紧凑型缪子螺线管（CMS）探测器中部署了这一系统，CMS是对撞机上最大的探测器之一。然而，即便拥有如此先进的探测器，挑选出这些罕见的"险些碰撞"事件也是一项极其艰巨的任务。

"我们必须收集数百亿次碰撞数据，才能从中提取出几百个光子撞击原子核并产生一个奇异D0介子粒子的罕见实例，"因诺琴蒂说。

通过研究产生的D0介子的能量、方向和数量，研究人员可以逆向推导，估算出胶子（将夸克结合在一起的粒子）在原子核内的分布情况。

他们的发现令人惊讶。当核物质被紧密压缩并以极高的速度运动时，胶子开始表现出不寻常的行为。这证实了关于高密度核物质的长期理论预测，但更重要的是，它证明了这种新方法确实能够测量到此类效应。

简而言之，该团队将过去被忽视的背景噪音，转变成了一种超精密的显微镜——一种利用光本身来探测物质核心的显微镜。

微小粒子，重大突破

这项研究对物理学界具有广泛的意义。例如，理解胶子的行为至关重要，因为它们主导着强相互作用力。对这种力的更清晰描绘，可以改进描述从核反应到大爆炸后早期宇宙等一切现象的理论。

"对强相互作用力的描述，是我们观察自然界一切事物的基础。现在我们有了一个途径，可以完全证实该描述，或者找出其中的偏差，"因诺琴蒂补充道。

与传统的基于碰撞的方法相比，该方法还提供了一种更清晰、更精确的方式来研究核结构。通过利用光核相互作用，科学家可以在没有全粒子碰撞混乱的情况下探测物质。

然而，目前仍存在局限性。这些事件极其罕见，需要海量的数据集和高度精密的探测技术。当前的测量精度仍不足以全面描绘胶子在所有条件下的行为。

而这正是研究人员下一步的计划。通过改进算法并收集更多数据，该团队希望提高测量精度，并可能发现与现有理论的偏差。如果发现这样的偏差，则可能预示着超越当前科学家认知的新物理学。

该研究发表在《物理评论快报》上。

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