赖斯物理学家与欧洲大型强子对撞机的同事合作，研究产生物质的光碰撞。研究人员显示，碎片从撞击中分离的角度在撞击前被光线中的量子干扰模式巧妙地扭曲了。
理解光子碰撞有助于寻找标准模型以外的物理。
赖斯大学的物理学家及其同事在证明87年前的预测后，详细阐述了这个过程如何影响未来对原始等离子体和物理的研究，而这种研究超出了标准模型。
赖斯大学物理学和天文学副教授、发表在《物理评论快报》上的这项研究的合著者Wei Li说：“我们基本上是在研究光的碰撞 ”。
“ 我们从爱因斯坦身上知道能量可以转化为质量，” Li 说。他是粒子物理学家，与数百名同事合作，在欧洲核研究组织的大型强子对撞机（LHC）和布鲁克黑文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）等高能粒子加速器进行实验。
像RHIC和LHC这样的加速器通常通过加速使得原子碎片接近光速，使之彼此粉碎，将能量转化为物质。2012年发现在LHC的希格斯粒子是一个显著的例子。当时，希格斯是标准模型中最后一个未观测到的粒子，该理论描述了原子的基本力和构建基块。
水稻物理学教授Wei Li（左）和博士后研究助理杨帅与大型强子对撞机（LHC）紧凑型电磁阀实验的同事合作，研究LHC重离子实验中发生的产生物质的光碰撞。杨领导撰写了一份新发表的研究报告，详细阐述了碎片从撞击前的离角是如何被量子干扰模式巧妙地扭曲的。
尽管它令人印象深刻，但物理学家知道标准模型只解释了宇宙中大约4%的物质和能量。Li说，本周的研究由赖斯博士后研究员Shuai Yang主持，对寻找超越标准模型的物理学有意义。
"有论文预测，你可以从这些离子碰撞中产生新的粒子，我们在这些碰撞中具有如此高密度的光子，这些光子光子相互作用可以创造标准模型之外的新物理学，"Li说。
Yang说："要寻找新的物理原理，必须非常准确地理解标准模型的过程。当时人们建议使用光子光子相互作用来寻找新的物理学，考虑到这一点是非常重要的。
Yang和他的同事详细描述了物理学家在相反的方向加速对立的重离子束并指向彼此时所产生的效果。这些离子是黄金或铅等巨大元素的原子核，离子加速器特别有助于研究强力，它结合了原子核中子和质子中称为夸克的基本构造块。物理学家使用重离子碰撞来克服这些相互作用，并观察夸克和胶子，粒子夸克通过强力相互作用时交换。
但核并不是唯一在重离子加速器中碰撞的东西。离子束还产生电场和磁场，用自己的光云遮盖光束中的每个原子核。这些云随核移动，当来自对立光束的云层相遇时，称为光子的光粒子可以正面相遇。
在7月发表的一份PRL研究报告中，杨和他的同事利用RHIC的数据来显示光子光子碰撞产生纯能量的物质。在实验中，光粉碎与核碰撞一起发生，核碰撞产生了一种叫做夸克-胶子等离子体（QGP）的原始汤。
“在RHIC，你可以让光子-光子碰撞在夸克-胶子等离子体形成的同时产生质量，”Yang说。"所以，你正在夸克-胶子等离子体内创造这个新的质量。
Yang博士在2018年PRL上发表的RHIC数据论文表明，光子碰撞可能以轻微但可衡量的方式影响等离子体。Li说，这既耐人寻味又令人惊讶，因为光子碰撞是一种电磁现象，夸克-胶子等离子体由强力主导，强力远比电磁力强大。
“与夸克-胶子等离子体进行强力交互，仅仅用电是不够的，”Li说。“你不要指望它与夸克-胶子等离子体的相互作用非常强烈。”
他说各种理论都可以来解释Yang的意外发现。
“一个提议的解释是，光子-光子相互作用看起来会有所不同，不是因为夸克-胶子等离子体，而是因为两个离子只是越来越接近对方。”Li说，“这与量子效应以及光子如何相互作用有关。”
如果量子效应导致了异常，杨推测，当离子错过对方，但来自各自光云的光子碰撞时，它们可以产生可探测的干扰模式。
"所以这两个离子，它们不会直接击中对方，"杨说。"他们实际上路过。这叫做超近层碰撞，因为光子会碰撞，但离子不会互相撞击。
欧洲核研究组织大型强子对撞机的紧凑型Muon电磁阀实验。
理论认为，超近层光子光子碰撞的量子干扰模式应与经过的离子之间的距离成正比。利用LHC的紧凑型Muon电磁阀（CMS）实验的数据，Yang、Li和他的同事发现，他们可以通过测量完全不同的东西来确定这个距离或撞击参数。
“这两个离子，随着它们越来越近，离子兴奋并开始发射中子的可能性更大，中子直接沿着光束线流下来，”Li说。“我们在 CMS 有一个探测器。”
每次超球光子-光子碰撞都会产生一对称为 muons 的粒子，这些粒子通常从碰撞中朝相反的方向飞来。正如理论所预言的，Yang、Li和他的同事发现量子干扰扭曲了 muons 的离境角度。近错过离子之间的距离越短，失真就越大。
Li说，这种效应产生于碰撞光子的运动。虽然每个光子都与宿主离子一起朝光束的方向移动，但光子也可以远离宿主。
“光子也有垂直方向的运动，”他说。“事实证明，随着冲击参数变得越来越小，垂直运动变得越来越强。”
“这让它看起来像是某种东西在修改 muons ，”Li说。“看起来一个人正从不同的角度前进，但事实并非如此。这是光子运动变化方式的神器，垂直于光束方向，在碰撞之前制造muons。”
Yang说，这项研究解释了他以前发现的大部分异常现象。同时，该研究建立了一种新的实验工具，用于控制光子相互作用的影响参数，这将产生深远的影响。
“我们可以坦然地说，大多数来自这种QED效应，”他说。“但这并不排除仍然存在与夸克-胶子等离子体相关的影响。这项工作为我们提供了一个非常精确的基线，但我们需要更精确的数据。我们还有至少 15 年的时间在 CMS 收集 QGP 数据，数据的精度将越来越高。”
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