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科学欧洲核子研究中心，最新公布：光子与光子之间可以相互作用！


欧洲核子研究中心在2020年第40届国际高能物理会议上 ， 公布首次对光子碰撞产生W玻色子对的观测结果 ， W玻色子是携带四种基本力之一弱力的基本粒子 。 这一结果为大型强子对撞机（LHC）的应用提供了一条新途径 ， 即作为高能光子对撞机直接探测电弱相互作用 。 它证实了弱电理论的主要预测之一 ， 即载流子可以与自己相互作用 ， 并提供了新的方法来探索它 。
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根据经典电动力学定律 ， 两束相交的光束不会相互偏转、吸收或破坏 。 然而 ， 量子电动力学(QED)的效应 ， 即解释光和物质如何相互作用的理论 ， 光子之间是可以相互作用的 。 事实上 ， 这并不是大型强子对撞机第一次研究高能光子相互作用 。 例如 ， 光对光的“散射” ， 即一对光子通过产生另一对光子相互作用 ， 是量子电动力学最古老的预测之一 。 早在2017年 ， ATLAS报道了第一个光散射的直接证据 。
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利用了高能铅-铅碰撞中铅离子周围的强大电磁场 ， 在2019年和2020年 ， ATLAS通过测量其特性进一步研究了这一过程 。 这次国际高能物理会议上公布的新结果 ， 对另一种罕见的现象很敏感 ， 在这种现象中 ， 两个光子通过四个载流子的相互作用(其中包括)相互作用 ， 产生了两个电荷相反的W玻色子 。 来自质子束的准真实光子相互散射 ， 产生一对W玻色子 。
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ATLAS和CMS之前在2016年从大型强子对撞机第一次运行期间记录的数据中：报告了对这一现象的第一次研究 ， 但需要更大的数据集才能明确观察到它 。 该观测数据具有8.4标准差非常显著的统计证据 ， 对应于由于统计波动而产生的可能性微乎其微 。 Atlas物理学家使用了在大型强子对撞机(LHC)于2018年结束为期四年的数据收集 ， 第2轮期间采集的一个相当大的数据集 ， 并开发了一种定制的分析方法 。
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由于相互作用过程的性质 ， 中心探测器中唯一可见的粒子轨迹是两个W玻色子 ， 一个电子和一个带相反电荷的μ子的衰变产物 。 与光子-光子相互作用相比 ， 碰撞质子中夸克和胶子之间的相互作用也可以直接产生W玻色子对 ， 但这些都伴随着来自强相互作用过程的额外轨迹 。 这意味着ATLAS的物理学家必须小心地解开碰撞轨迹才能观察到这一罕见现象 ， ATLAS发言人卡尔·雅各布斯(Karl Jakobs)说：
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这项观测开辟了大型强子对撞机(LHC)使用初始态光子进行实验探索的新局面 ， 它是独一无二的 ， 因为它只涉及大型强子对撞机(LHC)强相互作用主导环境中弱电作用力载体之间的耦合 。 随着未来数据集的增加 ， 它可以用来干净地探测弱电规范结构和新物理可能的贡献 。 事实上 ， 新结果还证实了弱电理论的一个主要预测：即除了与普通物质粒子相互作用外 ， 力载体 ， 也被称为规范玻色子（W玻色子 ， Z玻色子和光子）也相互作用 。
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光子碰撞将提供一种新的方式来测试标准模型和探索新物理学 ， 这对于更好地理解宇宙是必要的 。
博科园｜研究/来自：欧洲核子研究中心CERN
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