當光撞上光會發生什麼

2018年09月05日09:23  來源:中國科學報
 
原標題:當光撞上光會發生什麼

  ■本報記者 倪思潔

  還記得《哈利波特與火焰杯》裡哈利和伏地魔的對決嗎?他們各自掏出魔杖,同步念出咒語,接著,魔杖射出的光對撞,曾死於伏地魔魔杖下的靈魂們一一閃現。

  雖然這只是魔幻世界裡的想象,但在現實世界裡,科學家也很好奇當兩束光子對撞后會發生什麼。

  在近日舉行的香山科學會議第631次學術討論會上,科學家提出了在中國建造世界上第一台伽馬光子對撞機的想法。

  伽馬光子能撞出啥

  光,雖然看起來普通,卻一直是物理界研究的重點。科學家從未打消過對光的好奇,一些在物理學界知名的理論還預言了光子的性質。

  例如,量子電動力學預言了實光子之間的相互作用。如果能夠讓實光子對撞,並精確測量它們的相互作用,將是對量子電動力學的一次新角度的檢驗。

  “低能、中級能段、高能的伽馬光子對撞可以帶來不同的新物理現象。”中科院高能物理所研究員張昊說。

  低能區伽馬光子對撞后,科學家通過觀察和測量從能量到物質的轉化,可以直接驗証愛因斯坦著名的質能方程E=mc2。中能區的伽馬光子對撞很有可能成為“希格斯工廠”,幫助科學家發現希格斯粒子更多的物理性質。高能伽馬光子對撞將為人類直接尋找較大質量、超出標准模型的物理粒子提供可能。

  如果能夠實現高能量的伽馬光子對撞,中科院上海應用物理研究所研究員馬余剛說,“在核物理方面,就能夠開展核結構、核天體物理、核光子學等研究﹔在強子物理中,就能夠開展核力、核形成引子、核子激發態等研究﹔此外,還可以開展伽馬射線成像、航天探測器定標、新一代反應堆設計等研究”。

  當然,這些都建立在一個前提上,即讓伽馬光子撞上,且撞得越猛越好。

  怎麼讓它們撞上

  伽馬粒子是光子家族裡能量較高的一員,不帶電荷。這種不帶電的性質讓人類一直對它束手無策。

  在粒子物理前沿研究的驅動下,人類建造了各種類型的對撞機,比方說,在不同能區的正負電子對撞機、質子—質子對撞機、質子—電子對撞機、強子對撞機等。

  這些粒子之所以能對撞,是因為人類給它們加了速,而之所以能加速,是因為它們帶電。目前,加速器的加速原理是用磁場“拽”著帶電粒子跑,於是,不帶電荷的光子便逃過了磁場和人類的掌控。

  上世紀80年代早期,科學家首次提出了建造伽馬光子對撞機的設想——將兩束激光射向兩束高速運動的電子,激光裡的光子在觸碰到電子的瞬間會被“推撞”,在此過程中,電子把能量傳給光子,光子獲得能量后變身為伽馬光子,並擁有足夠的能量,最后再讓兩束伽馬光子對頭碰撞。

  此次,在以“伽馬光子對撞機和前沿科學”為主題的香山科學會議上,科學家分享了中國伽馬光子對撞機的設計構思:在直線電子加速器的末端,引出兩條管道,兩束電子束分別經過兩套聚焦磁鐵,與兩束激光束相互作用,生成兩束伽馬光束,並在對撞區中心對撞點發生對撞。

  “這個想法很好,是未來可能考慮的研發方向之一,但還需要深入研究。例如,應當對加速器物理過程進行模擬,考慮探測器的本底環境等。”中科院高能物理研究所研究員陳和生說。

  別的國家干啥去了

  既然伽馬光子對撞機的用處這麼大,為什麼國際至今都沒建呢?“很多國家都在嘗試建造高能的伽馬光子對撞機,但目前面臨著經費、電子加速器能量、激光能量的限制。”伽馬光子對撞機研究小組成員周為仁說。

  就像武俠小說裡傳授功力一樣,要讓伽馬光子擁有足夠的“功力”,電子必須是能量很高的“武林高手”才行。

  中科院高能物理研究所研究員張闖告訴《中國科學報》記者,目前世界上直線電子加速器能達到的最高能量為500億電子伏特(50GeV)左右,國內能量最高的還隻有25億電子伏特(2.5GeV)左右。而環形加速器雖然能讓電子能量更高,但隨著能量的提高,電子束旋轉產生的同步輻射損失的能量會大大增加。

  電子的能量一旦提高,激光每秒鐘攜帶的能量也需要提高,還要很好地聚焦。“這個能量大小代表了激光束中所含光子的多少。如果電子和激光束中的粒子很疏鬆,那麼,電子和光子很有可能要彼此錯過了。”張闖說。

  2011年,未來加速器國際委員會和超強激光國際委員會合作了,這兩個組織一個專注於高能加速器的研制,一個專注於強激光的發展。在科學家們看來,兩個機構的“聯姻”為高能伽馬光子對撞機的研制帶來了新動能。

  面對著激烈的國際競爭,國內科學家選擇的路線是先建一個低能伽馬光子對撞機,再逐步提升能量。

  “我們想先建一個100萬電子伏特(1MeV)的伽馬光子對撞機,之后再將其升級到1億電子伏特(100 MeV),最終可能升級到能夠建造‘希格斯工廠’的1250億電子伏特(125GeV)。”周為仁說。

  要讓伽馬光子達到100萬電子伏特(1MeV),直線電子加速器隻需要把電子加速到2.45億電子伏特(245MeV)左右,而這個能量段是國內加速器可以實現的。

  研究小組預計,如果不包括實驗站建設,伽馬光子能量達到1MeV的對撞機造價約為人民幣1億元,佔地約500平方米,建設周期3至5年。

 

(責編:郝孟佳、熊旭)

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