物理学家发现，当光束在量子层面上发生相互作用时，能够产生一种幽灵般的粒子，它们从虚无中短暂涌现，并影响真实物质。这种被称为“光-光散射”的罕见现象，挑战了光波互不干扰地穿过彼此的经典观念。
尽管如此，量子物理学预言了“光-光散射”效应。普通激光的功率不足以探测到它，但在欧洲核子研究中心（CERN）的粒子加速器上已经观察到了这一现象。虚粒子确实可以在短时间内从无中生有，与光子相互作用并改变其方向。这种效应极其微小，但为了通过当前对μ子的高精度实验来验证粒子物理理论，必须精确理解它。维也纳工业大学（TU Wien）的一个团队现在已经证明，一个此前被低估的方面在其中起着重要作用：即所谓的张量介子的贡献。新结果已发表在《物理评论快报》期刊上。
无中生有的虚粒子
当光子与光子相互作用时，可以产生虚粒子。它们无法被直接测量，因为它们会立即消失。在某种意义上，它们同时不断地存在又不存在——量子物理学允许这种态叠加，而根据我们经典的日常理解，这些状态本应是互斥的。
“尽管这些虚粒子无法被直接观测到，但它们对其他粒子有可测量的影响，”维也纳工业大学理论物理研究所的乔纳斯·马格尔说道，他是这项研究的主要作者。“如果你想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。这正是这项任务如此困难——但也如此有趣的原因。”
当光与光发生散射时，一个光子可能会转化为例如电子-正电子对。然后，其他光子可以与这两个粒子相互作用，随后电子和正电子相互湮灭并成为一个新的光子。当产生更重的粒子且这些粒子也受到强核力作用时——例如由一个夸克和一个反夸克组成的介子——情况会变得更加复杂。
“这些介子有不同类型，”乔纳斯·马格尔说。“我们现在已经能够证明，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子的磁性质，这可以用来以极高的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。在新的评估中，不仅它们的贡献比此前假设的要强得多，而且其符号也与此前认为的不同，从而以相反的方向影响结果。
非传统的理论方法
这一结果也解决了去年出现的最新解析计算与替代计算机模拟之间的差异。“问题在于，传统的解析计算只能在极限情况下很好地描述夸克的强相互作用，”安东·雷班（维也纳工业大学）说。
另一方面，维也纳工业大学团队使用了一种非传统方法——全息量子色动力学。这涉及将四维（即三个空间维度和一个时间维度）中的过程映射到一个具有引力的五维空间。这样一来，某些问题在那个空间中可以更容易地解决，然后再将结果转换回来。“张量介子可以映射到五维引力子上，而爱因斯坦的引力理论对此做出了明确的预言，”安东·雷班解释道。“我们现在有了吻合良好的计算机模拟和解析结果，但它们偏离了某些先前的假设。我们希望这也将为加速已计划好的针对张量介子的具体实验提供新动力。”
经受检验的标准模型
这些分析对于物理学中最大的问题之一至关重要：粒子物理的标准模型有多可靠？这是普遍接受的量子物理理论，描述了所有已知类型的粒子和自然界所有的力——除了引力。
标准模型的准确性可以在少数特殊的测试案例中得到特别好的检验，例如通过测量μ子的磁矩。多年来，科学家们一直困惑于理论和实验之间的某些差异是指向标准模型之外的“新物理”，还是仅仅因为不精确或误差。μ子磁矩的差异最近已大幅缩小——但为了真正寻找新物理，剩余的理论不确定性也必须被尽可能精确地理解。这正是这项新工作所做出的贡献。