物理學家發現了異常奇特的「粒子」:並非真正的粒子

奇子是准粒子，本身並不是真正的粒子，但它仍然有助於我們突破已知物理學的界限

　　新浪科技訊 北京時間5月4日消息，據國外媒體報道，讓我們從一個表面上看起來非常糟糕的物理學謎語開始：這是一種還不是真正粒子的粒子；甚至在這種粒子能被探測到之前它就已經消失了，然而還是可以被看到；它打破了人們對物理學的理解，但並沒有徹底改寫物理學知識。它是什麼？

　　看到這裡你可能已經一頭霧水，讓我們來揭曉謎底：它就是被稱為「奇子」（odderon）的亞原子准粒子。直到不久前，科學家才用大型強子對撞機（LHC）發現了這種粒子存在的可能證據。坐落於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機是世界上最強大的粒子「粉碎機」，可以在周長達到27公里的隧道中將粒子加速到接近光速。

　　複雜的奇子

　　首先，奇子並不是真正的粒子。我們通常認為粒子是相當穩定的，比如電子、質子、夸克、中微子等。你可以將這些粒子拿在手裡，隨身攜帶——確切地說，你的手實際上就是由它們構成的。而且，你的手並不會在稀薄的空氣中很快消失，因此可以放心地假設構成手的基本粒子可以長期存在。

　　還有一些粒子雖然不會持續很長時間，但仍然被稱為粒子。儘管壽命短暫，但它們是自由、獨立的，並且可以獨自存在，不參與任何相互作用，這些都是一個真正粒子的標誌。

　　然後就是所謂的准粒子（quasiparticle），它們只比「根本不是粒子」更進了一步。准粒子並不完全是粒子，但它們也不是完全虛構的。它們只是……比較複雜。

　　確實很複雜。特別是，高速運動的粒子在相互作用時的情況本身就十分複雜。當兩個質子以接近光速的速度撞擊時，並不會像撞球碰撞那樣裂開，而更像是兩隻水母晃動著撞向對方，將各自的內臟翻出來，在一切重新排列之後又恢復成水母的模樣，各自分開。

　　什麼是准粒子？

　　在所有這些複雜的混亂中，有時會出現奇特的模式。微小的粒子在眨眼間突然蹦出來，緊接著又有一個稍縱即逝的粒子出現，然後又出現一個。有時這些粒子的閃爍會以特定的序列或模式出現；有時甚至根本就不是粒子的閃爍，而只是碰撞混沌中的振動——表明某種瞬態粒子出現的振動。

　　在這裡，物理學家面臨一個數學上的兩難困境。他們可以嘗試完整描述導致這些模式的複雜混亂，也可以假裝——純粹是為了方便起見——這些模式本身就是「粒子」，但具有奇特的屬性，比如負質量和隨時間而改變的自旋。

　　物理學家選擇了後一個選項，於是准粒子就誕生了。准粒子其實是短暫、活躍的能量模式，出現在高能粒子的碰撞中。由於在數學上完整描述這類情況需要大量的工作，因此物理學家採取了一些捷徑，假裝這些模式本身是粒子。這麼做只是為了在數學上更容易處理。因此，准粒子被當作粒子來對待，即使它們本身絕對不是粒子。

　　奇子之「奇」

　　奇子是一種特殊的准粒子，在20世紀70年代時就被預測存在。科學家認為，奇子出現於質子和反質子碰撞過程中奇數個夸克短暫閃爍並轉瞬即逝的時候。如果在這個碰撞場景中出現了奇子，那麼粒子自身的碰撞與粒子和反粒子的碰撞之間就存在橫截面（物理學上描述一個粒子撞擊另一粒子容易程度的術語）的細微差異。

　　因此，如果我們將一大堆質子碰撞在一起，那我們就可以計算出這種相互作用的橫截面；然後，我們再進行質子-反質子的碰撞，計算出橫截面。如果沒有奇子，那這兩個橫截面應該是完全相同的。奇子改變這一切。這些轉瞬即逝的模式在粒子-粒子碰撞中比在反粒子-反粒子碰撞中更容易出現，從而使橫截面發生了細微改變。

　　令人頭疼的是，這種差異預計會極其細微，只有在進行大量碰撞之後你才能宣稱檢測到奇子的證據。

　　如果我們有一台巨大的粒子對撞機，它經常將質子和反質子一起「粉碎」，並且碰撞次數足夠多，碰撞的能量足夠高，那我們就能獲得可靠的統計數據。沒錯，我們說的就是大型強子對撞機。

　　在3月26日在線發表於預印本網站arXiv的一篇論文中，TOTEM（全截面彈性散射偵測器）協作團隊報道了質子相互碰撞與質子-反質子碰撞之間的橫截面顯著差異。解釋這種差異的唯一方法就是重拾幾十年前關於奇子的預測。這些數據可能還有其他解釋（換句話說，可能還有其他形式的奇特粒子），但奇子似乎是最好的候選。

　　TOTEM發現了一些關於宇宙的新東西嗎？當然。TOTEM發現了一種全新的粒子嗎？不，因為奇子是准粒子，它本身並不是粒子。奇子是否仍然有助於我們突破已知物理學的界限？當然。奇子會顛覆已知的物理學嗎？不，因為科學家就是根據已知物理學的理解做出了奇子的預測。（任天）

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