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大型强子对撞机由光创造物质

大强子对撞机与爱因斯坦著名的方程E = mc 2一起作用,将物质转化为能量,然后再转化为不同形式的物质。但是在极少数情况下,它可以跳过第一步并以电磁波的形式碰撞纯净能量。

去年,大型强子对撞机的ATLAS实验观察到两个光子,光粒子彼此弹跳并产生两个新的光子。今年,他们采取了进一步的研究措施,发现光子合并并转变为更有趣的东西:玻色子,携带微弱力的粒子,控制核衰变。

这项研究不仅说明了LHC内部控制过程的中心概念:能量和物质是同一枚硬币的两个方面。它还证实,在足够高的能量下,在我们的日常生活中似乎分开的力(电磁力和弱力)是统一的。

从无量到无量

如果您尝试通过交叉两个激光指示器的光束在家中复制该碰撞光子的实验,则将无法创建新的块状粒子。取而代之的是,您将看到两个光束组合在一起,形成了更亮的光束。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究员西蒙娜·帕根·格里索(Simone Pagan Griso)说:“如果回头看一下麦克斯韦的经典电磁方程,就会发现两个碰撞波加起来就是一个更大的波。” “当我们将具有特殊相对论和量子力学的麦克斯韦方程组整合到所谓的量子电动力学理论中时,我们只会看到ATLAS最近观察到的这两种现象。”

在CERN的加速器复合体内,质子的加速接近光速。它们的通常为圆形的形式沿运动方向弯曲,因为相对论取代了LHC发生的过程的经典运动定律。两个传入的质子彼此视同为压缩的煎饼,并伴有同等压缩的电磁场(质子带电,所有带电粒子均具有电磁场)。LHC的能量与长度收缩相结合,使质子的电磁场强度提高了7500倍。

当两个质子互相掠食时,它们相互挤压的电磁场相交。这些领域跳过了适用于低能量的经典“放大”礼节,而是遵循量子电动力学概述的规则。通过这些新法则,这两个字段可以合并并成为E =mc²中的“ E”。

“如果您从右到左阅读方程E =mc²,您会发现由于c²常数(光速的平方),少量的物质会产生大量的能量,” Alessandro Tricoli说。布鲁克黑文国家实验室的研究员-ATLAS实验的美国总部,该实验室获得了美国能源部科学办公室的资助。“但是,如果反过来看这个公式,就会发现需要从大量的能量开始才能产生很小的质量。”

大型强子对撞机是地球上少数能够产生和碰撞高能光子的地方之一,也是科学家唯一看到两个高能光子合并并转化为巨大W玻色子的地方。

统一力量

高能光子产生的W玻色子证明了这一发现,该发现赢得了1979年诺贝尔物理学奖的谢尔登·格拉Show,阿卜杜斯·萨拉姆和史蒂芬·温伯格:在高能量下,电磁力和弱力是一成不变的。

电和磁常感觉像是分开的力。通常情况下,您不必担心在操作冰箱磁铁时会被电击。而且,即使通电,灯泡也不会粘在冰箱门上。那么,为什么电站会发出有关其高磁场的警告标志?

特里科利说:“磁铁是电磁的一种表现,而电是另一种表现。” “但这都是电磁波,我们在日常技术中看到了这种统一,例如通过电磁波通信的手机。”

在极高的能量下,电磁力与另一种基本力结合在一起:弱力。弱力控制着核反应,包括将氢融合成氦,从而为太阳提供动力以及放射性原子的衰变。

就像光子传递电磁力一样,W和Z玻色子也传递微弱的力。光子会碰撞并在LHC中产生W玻色子的原因是,在最高能量下,这些力合并形成电弱力。

格里索说:“光子和玻色子都是力的载体,它们都具有电弱的作用力。” “这种现象确实正在发生,因为自然是量子力学的。”

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