当光与自身相撞会发生什么？科学家们刚刚找到了答案

尽管如此，量子物理学预言了“光-光散射”效应。普通激光器的功率不足以探测到它，但该效应已在欧洲核子研究中心（CERN）的粒子加速器中被观测到。虚粒子可以在短时间内凭空产生，与光子相互作用并改变其方向。该效应极其微弱，但为了通过当前高精度的μ子实验验证粒子物理理论，必须对其进行精确理解。维也纳工业大学（TU Wien）的一个团队现已证明，一个先前被低估的方面在此过程中起着重要作用：即所谓的张量介子的贡献。这项新成果已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊。

凭空产生的虚粒子

当光子与光子相互作用时，可能产生虚粒子。这些粒子无法直接测量，因为它们会立即消失。在某种意义上，它们同时存在又不存在——量子物理学允许这种在我们经典日常认知中相互排斥的状态叠加。

“尽管这些虚粒子无法被直接观测，但它们对其他粒子具有可测量的影响，”该研究的主要作者、维也纳工业大学理论物理研究所的乔纳斯·马格（Jonas Mager）表示。“若要精确计算真实粒子的行为，就必须正确考虑所有可能的虚粒子。这正是该任务如此困难——却又如此有趣的原因。”

当光被光散射时，一个光子可能转化为例如电子-正电子对。在电子和正电子相互湮灭形成新光子之前，其他光子可与此二者相互作用。当产生同时受强核力作用的重粒子时（例如由夸克和反夸克组成的介子），情况会变得更加复杂。

“这些介子存在不同类型，”乔纳斯·马格解释道。“我们现已证明其中一种——张量介子——被严重低估了。通过光-光散射效应，它们影响了μ子的磁特性，而μ子磁特性可用于以极高精度检验粒子物理的标准模型。”张量介子确实出现在早期的计算中，但采用了非常粗略的简化处理。在新评估中，不仅其贡献远超先前假设，且其符号与原先认知相反，从而对结果产生方向性的影响。

非常规理论方法

该结果也解决了去年最新解析计算与替代性计算机模拟之间出现的差异。“问题在于传统解析计算仅在极限情况下能较好地描述夸克的强相互作用，”安东·雷班（Anton Rebhan，维也纳工业大学）指出。

维也纳工业大学团队则采用了非常规方法——全息量子色动力学（holographic quantum chromodynamics）。该方法将四维时空（即三维空间加一维时间）的过程映射到具有引力的五维空间。某些问题在此空间中可以更易求解，结果随后再转换回来。“张量介子可映射为五维引力子，而爱因斯坦引力理论对引力子有明确预言，”安东·雷班解释道。“我们现在获得的计算机模拟与解析结果高度吻合，但与某些先前假设存在偏差。我们希望这也能为加速已规划的特定张量介子实验提供新动力。”

接受检验的标准模型

这些分析对物理学最重大的问题之一至关重要：粒子物理的标准模型究竟有多可靠？这是被普遍接受的量子物理理论，描述了除引力之外所有已知粒子类型和自然力。

标准模型的精确性可在若干特殊测试案例中得到深入研究，例如通过测量μ子的磁矩。多年来，科学家们一直在探究理论与实验间的某些差异是否指向超越标准模型的“新物理”，抑或仅仅是计算偏差或误差。近期μ子磁矩的差异已显著缩小——但若要真正探寻新物理，剩余的理论不确定性也必须尽可能精确地厘清。这项新工作正是为此做出了贡献。