发现不是粒子的粒子,还没发现就消失了,但是被看见了吗?

这听起来像是一个非常糟糕的物理谜题开始:“我是一个实际上不是粒子的粒子,我在还没被发现之前就消失了,但却被看见了”。我打断了你对物理学的理解,但没有彻底改变你的知识,请问我是谁?(看完这句是不是很迷?不急,待“博科园”为你慢慢道来)它是一种奇特的粒子,比它的名字所暗示的更加奇特,而且它可能在大型强子对撞机上被探测到。大型强子对撞机是目前世界上最强大的粒子加速器,粒子以接近光速的速度绕着瑞士日内瓦附近一个17英里(27公里)长的环飞驰。

博科园-科学科普:首先,“odderon”并不是真正的粒子,我们所认为的粒子通常是非常稳定的:电子、质子、夸克、中微子等。你可以把它们拿在手里,随身携带,比如你的手真就是由它们组成,你的手不会很快消失在稀薄的空气中,所以我们可以放心地假设基本粒子是长期存在的。还有一些粒子不会持续很长时间,但仍然被称为粒子。尽管它们的寿命很短,但它们仍然是粒子。它们是自由、独立的,能够独立存在,不受任何相互作用的影响——这就是真实粒子的特征。

然后是所谓的准粒子,它只比非粒子高一步,准粒子并不完全是粒子,但也不完全是虚构的,只是…太复杂了。就像,字面上的复杂。特别是,粒子在超高速下的相互作用变得复杂。当两个质子以接近光速相互撞击时,就不像两个台球撞在一起。这更像是两团水母互相摇晃着,它们的内脏翻了个底朝天,所有的东西都重新排列好了,然后在它们出来的时候变成水母。在所有这些复杂的混乱中,有时会出现奇怪的模式。微小粒子在眨眼间就会出现或消失,随之而来的是另一个稍纵即逝的粒子。有时这些“闪光”的粒子出现在一个特定序列或模式。

有时甚至根本不是粒子的闪光,而仅仅是碰撞混合物中的振动——表明存在瞬态粒子的振动。正是在这里,物理学家们面临着数学难题,他们要么试图全面描述导致这些泡状图案的所有复杂混乱,要么假装(纯粹是为了方便)这些图案本身就是“粒子”,但具有一些奇怪的性质,比如负质量和自旋随时间而变化。物理学家选择后者,准粒子就这样诞生了。准粒子是在高能粒子碰撞过程中出现短暂的、冒泡的模式或能量波纹。但由于需要大量的跑腿工作才能从数学上完全描述这种情况,物理学家们走了一些捷径,假装这些模式是他们自己的粒子。

这样做只是为了让数学更容易处理。所以准粒子就像粒子一样被对待,尽管它们肯定不是。这就像假装你叔叔的笑话很有趣,纯粹为了方便起见,假装很有趣。于20世纪70年代预测一种特殊准粒子被称为odderon,人们认为,当奇夸克(构成物质的微小粒子)在质子和反质子碰撞过程中短暂地闪进闪出时,就会出现这种现象。如果在这个碰撞场景中出现了奇偶体,那么粒子与它们自己和它们的反粒子之间碰撞的横截面(物理学术语,指一个粒子与另一个粒子碰撞的容易程度)将会有细微差别。

例如,如果把一堆质子撞在一起,可以计算出相互作用的横截面。然后,可以在质子-反质子碰撞中重复。在一个没有奇夸克的世界里,这两个横截面应该是相同的。但是,奇偶子改变了这种情况——这些我们称为奇偶子的简短模式在粒子-粒子碰撞中比反粒子-反粒子碰撞中表现得更有利,而反粒子-反粒子碰撞会稍微改变横截面。问题是,这种差异被预测为非常非常小,所以你需要大量的事件,或碰撞,才能声称发现。现在,如果我们有一个巨大的粒子对撞机,它能有规律地把质子和反质子撞在一起,并且以如此高的能量,如此频繁地撞击,就能得到可靠的统计数据。

在3月26日《arXiv》上发表的一篇最新论文中,TOTEM Collaboration 报告了质子撞击其他质子和质子撞击反质子的横截面之间的显著差异。要解释这种差异,唯一的方法就是重现这个几十年前就存在的关于odderon概念。对于这些数据可能还有其他的解释(换句话说,其他形式的外来粒子),尽管看起来很奇怪。是否发现了一些关于宇宙的新奇事物?肯定的,发现了一个全新的粒子吗?不,因为奇子是准粒子,而不是粒子本身。它还能帮助我们突破已知物理的界限吗?肯定的。它是否打破了已知的物理学?不,因为在我们目前的理解中,预测会存在奇夸克。你觉得这一切有点奇怪吗?