這聽起來像是一個非常糟糕的物理謎題開頭:我是一個粒子,但實際上我又不算是;我在還沒有被檢測之前就消失了,但我卻可以被看見。我打破了你對物理學的理解,但是又沒有徹底改變你的知識。那我到底是誰?

  這就是odderon粒子,這種粒子比它的名字所暗示的還要更加奇特。它最近可能在大型強子對撞機上被探測到(大型強子對撞機是最強大的原子加速器,粒子以接近光速的速度繞着瑞士日內瓦附近一個17英里長的環運動)。

  非常複雜的粒子

  首先,odderon並不是真正的粒子。我們所謂的粒子通常是非常穩定的,例如電子、質子、夸克、中微子等等,你可以把它們拿在手裏隨身攜帶,甚至就連你的手也是由它們組成的,但你的手不會很快地消失在空氣中,所以我們可以放心地假設組成你的手的基本粒子是長期存在的。

  但也有一些不會持續存在很長時間,但仍然被稱爲粒子的微粒。雖然它們的壽命很短,但它們仍然是粒子,它們是自由的、獨立的,能夠獨自存在,不受任何相互作用的影響——這就是真正粒子的特徵。

  然後還有所謂的準粒子,它只比非粒子距離粒子近那麼一點點。準粒子並不完全算是粒子,但也不完全算是虛構的粒子,反正…就是很複雜。

  特別是粒子在超高速下的相互作用的時候,它們的表現會變得尤其複雜。當兩個質子以接近光速相互撞擊時,它們不是像兩個檯球撞在一起一樣,它們更像是兩團水母互相搖晃着撞在一起,在撞擊的過程中它們的內臟會被撞得七零八落,然後再重新排列變回水母。

  準粒子?

  在所有這些複雜的混亂中有時會出現奇怪的模式。微小的粒子在眨眼間就會出現或消失,隨之而來的是一個又一個稍縱即逝的粒子。有時這些稍瞬即逝的粒子閃光會以一個特定的序列或模式出現,但有時候出現的甚至根本就不是粒子的閃光,僅僅只是碰撞混合物中的振動——表明存在瞬態粒子的振動。

  而正是在這裏,物理學家們面臨着一個數學難題。他們完全可以嘗試描述所有導致這種興奮模式的複雜混亂狀態,或者他們也可以假裝——純粹是爲了方便——這些模式是“粒子”本來的樣子,並且假裝這種“粒子”還有着奇怪的屬性,比如負質量和隨時間變化的自旋。

  物理學家們選擇了後者,於是準粒子就這樣誕生了。準粒子是在高能粒子碰撞過程中出現的短暫的興奮模式或能量波紋。但由於從數學上完全描述這種情況需要大量的工作,所以物理學家們走了點捷徑,假裝這些模式就是它們自己的粒子,但這樣做只是爲了在數學上更容易處理。所以,儘管準粒子肯定不是粒子,它們也被當作粒子一樣對待。

  這就像假裝你叔叔講的笑話很有趣,我們純粹是爲了方便起見才假裝他的笑話“準”有趣。

  中和機率

  一種特殊的準粒子被稱爲odderon,早在20世紀70年代,人們就已經預言了它的存在。人們認爲,當奇數個夸克(構成物質的微小粒子)在質子和反質子碰撞過程中短暫地閃進閃出時,準粒子就會出現。如果在這個碰撞場景中出現了odderon,那麼粒子與它們自己和它們的反粒子之間的碰撞截面(物理學術語,指一個粒子與另一個粒子碰撞的容易程度)將會有細微的差別。

  例如,如果我們把一堆質子撞在一起,我們可以計算出這個碰撞的碰撞截面,然後,我們可以在質子-反質子碰撞中重複這個計算。在一個沒有odderon的世界裏,這兩個橫截面應該是相同的。但是,odderon的出現改變了這種情況——這些我們稱爲odderon的短暫模式似乎在粒子-粒子碰撞中比反粒子-反粒子碰撞中表現得更友好,在反粒子-反粒子碰撞中,odderon會稍微改變碰撞截面。

  問題是,這種差異被預測爲非常非常小,所以你需要大量的事件(或碰撞)才能支持這樣的發現。

  現在,如果我們有一個巨大的粒子對撞機,並且它能頻繁而有規律地以高能量進行質子和反質子碰撞實驗的話,我們就能得到可靠的統計數據。哦,對了,我們也確實有這樣的儀器:大型強子對撞機。

  在3月26日一篇發表在arXiv預印本服務器上的論文中,TOTEM 合作團隊(在高能物理的滑稽的術語縮寫,TOTEM 代表“大型強子對撞機的總截面、彈性散射和衍射離解測量,TOTal cross-section, Elastic scattering and diffraction dissociation Measurement at the LHC”)報道,質子間碰撞實驗的碰撞截面與質子-反質子碰撞實驗的碰撞截面之間存在巨大的差異,而要解釋這種差異,唯一的方法就是重拾這個幾十年前就已經存在的odderon概念。對於這些數據雖然可能還有其他的解釋(換句話說,其他形式的奇異粒子),但儘管看起來很奇怪,odderon似乎纔是最好的選擇。

  TOTEM 是否發現了一些關於宇宙的新奇事物?這是肯定的。TOTEM 發現了一個全新的粒子嗎?這倒沒有,因爲odderon是準粒子,而不是真正的粒子。它還能幫助我們進一步拓展已知物理的界限嗎?這是肯定的。那它是否打破了已知的物理學?這也沒有,因爲我們已經在目前的理解中預測到odderon的存在。

  這一切是不是很奇怪?

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