發現光子與光子之間可以相互作用！

歐洲核子研究中心在2020年第40屆國際高能物理會議上，公佈首次對光子碰撞產生W玻色子對的觀測結果，W玻色子是攜帶四種基本力之一弱力的基本粒子。這一結果爲大型強子對撞機（LHC）的應用提供了一條新途徑，即作爲高能光子對撞機直接探測電弱相互作用。它證實了弱電理論的主要預測之一，即載流子可以與自己相互作用，並提供了新的方法來探索它。

根據經典電動力學定律，兩束相交的光束不會相互偏轉、吸收或破壞。然而，量子電動力學(QED)的效應，即解釋光和物質如何相互作用的理論，光子之間是可以相互作用的。事實上，這並不是大型強子對撞機第一次研究高能光子相互作用。例如，光對光的“散射”，即一對光子通過產生另一對光子相互作用，是量子電動力學最古老的預測之一。

早在2017年，ATLAS報道了第一個光散射的直接證據。利用了高能鉛-鉛碰撞中鉛離子周圍的強大電磁場，在2019年和2020年，ATLAS通過測量其特性進一步研究了這一過程。這次國際高能物理會議上公佈的新結果，對另一種罕見的現象很敏感，在這種現象中，兩個光子通過四個載流子的相互作用(其中包括)相互作用，產生了兩個電荷相反的W玻色子。

來自質子束的準真實光子相互散射，產生一對W玻色子。ATLAS和CMS之前在2016年從大型強子對撞機第一次運行期間記錄的數據中：報告了對這一現象的第一次研究，但需要更大的數據集才能明確觀察到它。該觀測數據具有8.4標準差非常顯著的統計證據，對應於由於統計波動而產生的可能性微乎其微。

Atlas物理學家使用了在大型強子對撞機(LHC)於2018年結束爲期四年的數據收集，第2輪期間採集的一個相當大的數據集，並開發了一種定製的分析方法。由於相互作用過程的性質，中心探測器中唯一可見的粒子軌跡是兩個W玻色子，一個電子和一個帶相反電荷的µ子的衰變產物。與光子-光子相互作用相比，碰撞質子中夸克和膠子之間的相互作用也可以直接產生W玻色子對，但這些都伴隨着來自強相互作用過程的額外軌跡。

這意味着ATLAS的物理學家必須小心地解開碰撞軌跡才能觀察到這一罕見現象，ATLAS發言人卡爾·雅各布斯(Karl Jakobs)說：這項觀測開闢了大型強子對撞機(LHC)使用初始態光子進行實驗探索的新局面，它是獨一無二的，因爲它只涉及大型強子對撞機(LHC)強相互作用主導環境中弱電作用力載體之間的耦合。

隨着未來數據集的增加，它可以用來乾淨地探測弱電規範結構和新物理可能的貢獻。事實上，新結果還證實了弱電理論的一個主要預測：即除了與普通物質粒子相互作用外，力載體，也被稱爲規範玻色子（W玻色子，Z玻色子和光子）也相互作用。光子碰撞將提供一種新的方式來測試標準模型和探索新物理學，這對於更好地理解宇宙是必要的。

博科園｜研究/來自：歐洲核子研究中心

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