科学家对奇妙的量子物理世界进行了引人入胜的探究，结果表明，光能够以奇特的方式与自身相互作用——产生类似幽灵的虚粒子，这些粒子不断出现和消失。

这种“光对光的散射”并不仅仅是理论上的好奇心所在；它可能是解开粒子物理学中长期存在谜团的关键。

量子光：为何激光不会像光剑那样相互碰撞

在正常情况下，光波可以相互穿透而不产生任何干扰。根据电动力学原理，两束光可以占据同一空间而互不影响。它们只是简单地合并然后继续其传播路径。这意味着，在科幻电影中看到的激动人心的激光决斗，在真实生活中会大为失色。

然而，量子物理学却带来了转折。它预测了一种名为“光对光散射”的现象。这种现象无法用典型的激光系统检测到，但已在欧洲核子研究组织粒子加速器等高能环境中观察到。

在这个过程中，虚粒子可以从真空中瞬间出现，与光子相互作用，并改变其轨迹。尽管这种效应极其微妙，但精确理解它对检验粒子物理理论至关重要，尤其是在涉及缪子的敏感实验中。

维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员现已证明，在这一过程中，有一个被忽视的因素起着重要作用：即被称为张量介子的粒子的影响。他们的研究结果最近发表在《物理评论快报》上。

留下真实痕迹的“幽灵粒子”

当光子发生碰撞或相互作用时，虚粒子会短暂存在。这些粒子几乎瞬间消失，无法直接观测到。奇怪的是，它们同时存在又不存在。量子力学允许这种悖论的存在，即使从不同的经典角度看它们似乎相互矛盾，但这些不同的状态也可以共存。

“尽管这些虚粒子无法被直接观测到，但它们对其他粒子有着可测量的影响，”维也纳工业大学理论物理研究所的乔纳斯·马格说，他也是该研究的主要作者。“如果你想精确计算出真实粒子的表现，就必须把所有可能的虚粒子都正确考虑在内。这就是这项任务如此困难——但也如此有趣的原因。”

当光与光相遇时会发生什么

当光发生散射时，光子可能会发生转变，例如，转变成一个正负电子对。在正负电子相互湮灭并转化为一个新光子之前，其他光子可能与这两个粒子发生相互作用。当产生同时受到强核力作用的更重的粒子时，情况会变得更复杂——例如，由一个夸克和一个反夸克组成的介子。

“这些介子有多种类型，”乔纳斯·马格（Jonas Mager）说道。“我们现在已经能够证明，其中一种介子，即张量介子，被严重低估了。通过轻子-轻子散射效应，它们影响了缪子的磁性，可以利用这一效应以极高的精确度测试粒子物理学的标准模型。”张量介子确实出现在早期的计算中，但当时进行了非常粗略的简化。在新的评估中，它们的贡献不仅比以前设想的要大得多，而且符号也与以前的设想不同，因此会对结果产生相反方向的影响。

引力子和全息图：一种五维方法

这一结果也解决了去年最新的分析计算与替代计算机模拟之间出现的不一致。“问题在于，传统的分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·雷布汗（维也纳工业大学）说。

另一方面，维也纳工业大学团队采用了一种非常规方法——全息量子色动力学。该方法涉及将四维（即三个空间维度和一个时间维度）中的映射过程投射到包含引力的五维空间中。这样一来，某些问题便可以在另一个空间中更容易地解决，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引力子做出了明确的预测，”安东·雷布汗（Anton Rebhan）解释道。“如今，我们有了拟合良好的计算机模拟结果和分析结果，但这些结果与某些先前假设存在偏差。我们希望这也能为加速已经规划好的张量介子特定实验提供新的动力。”

用显微镜观察标准模型

这些分析对于物理学中的一个重大问题至关重要：粒子物理学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除重力以外的所有自然力。

在少数特殊测试案例中，可以很好地检验标准模型的准确性，例如通过测量缪子的磁矩。多年来，科学家们一直感到困惑：理论与实验之间的某些差异是指向标准模型之外的“新物理”，还是仅仅是不精确或错误。最近，缪子磁矩的差异已大大减小，但为了真正寻找新物理，还必须尽可能精确地理解剩余的理论不确定性。这正是这项新工作的贡献所在。

参考文献：乔纳斯·马格、路易吉·卡皮耶洛、约瑟夫·洛伊特盖布和安东·雷布汗所著的《强子光-光散射的纵向短距离约束和张量介子对缪子g-2的贡献》，已被《物理评论快报》接收发表。DOI：10.1103/dxwr-gpsl

不要错过任何一项突破：订阅SciTechDaily新闻通讯。