所有的物质，都有相应的反物质伙伴，比如电子和正电子、质子和反质子、以及夸克和反夸克。当一个粒子遇到它的反粒子时，它们就会湮灭产生一种能量最高的光——伽玛射线。
○ 当物质和反物质相遇时，会发生湮灭，所有的能量都会以光子的形式释放。| 图片来源：RealLifeLore/YouTube
那么构成光的粒子——光子呢？是否存在某种“反光子”的物质？
答案是肯定的，只不过它不是什么基本的新粒子，而是跟普通的光子一样，没有任何区别。描述物质和反物质行为的物理理论也同样预言了如果两个高能光子以正确的方式对撞，那么它们会湮灭产生一对物质和反物质粒子。
事实上，早在1934年前，布赖特（Gregory Breit）和惠勒（John Archibald Wheeler）就首先预言了光子-光子湮灭。其基本的思想很简单，如果将一个电子和一个正电子以相对较慢的速度对撞，一个最直接的结果就是产生一对能量相同的伽玛射线。而如果将整个过程反过来，也应该同样等效：即将适当能量的伽玛射线对撞会产生一个电子和一个正电子，这被称为“布赖特-惠勒过程”。
这里说的“适当能量”很关键，比如可见光的能量就远远不足。光子没有质量，它们是纯能量，因此根据爱因斯坦的E=mc²，光必须要有足够高的能量才能转换成电子和正电子的质量。所以只有伽玛射线能够做到这一点，因为其它形式的光的能量都太低了。
○ 描述光和物质之间相互作用的理论。对布赖特-惠勒理论的验证是填补描述光和物质相互作用的理论的最后一块拼图。其它的六块拼图包括了狄拉克在1930年预测的电子和正电子的湮灭，以及1905年爱因斯坦的光电效应理论。| 图片来源：Oliver Pike, Imperial College London
虽然这在理论上是可能的，但要在实验室中实现却无外乎难于上青天，以至于布赖特和惠勒都认为要在实验室中观测到粒子对产生是不可能的。
当然，现在的科学家更加乐观一点，只不过实验设置需要额外的大质量高能粒子。尽管如此，我们依然还没有在实验室中观测到这个过程。
直到2014年，在英国帝国理工学院的物理系里，物理学家Steve Rose和其它两位合作者聚集在一个小房间内，几杯咖啡下肚后，想出了一个相对简单的方法来证明布赖特-惠勒过程，并且实验中无需依靠增加额外的高能粒子。
不久前，这一实验终于开始运行，希望能够首次实现将光直接转换为物质。
○靶室，激光束被聚焦的地方。| 图片来源：Imperial College
Rose 教授说：“这将是对爱因斯坦质能方程 E = mc² 的最纯粹演示 ，质能方程告诉我们的是当物质转化为能量时将产生多少能量。而我们所做的正是此事，只是恰好反过来：将光子能量转化为质量，即 m = E / c²。”
○ 来自帝国理工和德国耶拿的实验家。| 图片来源：Imperial College
实验系统中涉及到两束高功率的激光，用来制造将要被对撞在一起的光子。其中一个光子的能量约为可见光光子能量的1000倍，而另一个的能量则是可见光光子能量的10亿倍。
激光束被聚焦在靶室内的两个独立的目标上，在靶室内还包含了将激光束聚焦所需的复杂光学器件和用于偏转带电粒子的磁体。在对撞中产生的带电正电子是研究人员搜寻的目标，并以此来确认实验是否成功。
○靶室内包含了用来聚焦激光束的光学器件。| 图片来源：Imperial College
他们在世界各地寻找最合适进行这项实验的激光系统，并最终发现其实最适合的仪器就在伦敦附近。于是他们前往了位于牛津附近的STFC卢瑟福·阿普尔顿实验室——中央激光研究所的双子激光。除了双子激光之外，他们使用的一些探测器来自欧洲核子研究中心（CERN）。
如果实验成功，他们将会探测到正电子，从而证明84年前的预言。但与此同时，数据分析的过程必须足够的严谨和缜密，以确认这些正电子确实来源于布赖特-惠勒过程，而不是其他的背景过程。
一旦实验成功地呈现这一过程，那么科学家重建的将是一个对宇宙最初100秒内的很重要、也能在伽马射线爆中看到的过程——这是宇宙中最大的爆炸事件，也是物理学最大的未解奥秘之一。
○ 在实验中。| 图片来源：Imperial College
不仅如此，该实验也将是对描述光与物质之间相互作用的理论——量子电动力学（QED）的最后检验。QED的其他基本预测均已通过实验证明，而双光子布赖特-惠勒过程却还从未被证实过。
同时，这也将打开一种全新的高能物理实验的方式。让我们拭目以待吧。
参考链接：
Pike, O, J. et al. 2014. ‘A photon–photon collider in a vacuum hohlraum’. Nature Photonics, 18 May 2014.
http://www.imperial.ac.uk/news/185368/experiments-underway-turn-light-into-matter/
发表于 2018-5-13 03:13
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