LHC 最新粒子碰撞发现了可能的新物质形式

大型强子对撞机中可能出现一些不同寻常的新物理现象，粒子的行为方式令人吃惊。粒子物理学家称，质子和铅核之间的碰撞可能会形成一种依赖于量子纠缠的新型物质。

紧凑型μ子螺线管是大型强子对撞机（LHC）中的两个主要粒子探测器之一，它一直在忙于将铅离子和质子碰撞在一起。当粒子以惊人的能量碰撞时，它们会分裂成组成碎片，物理学家会在碎片中寻找这些组成成分。今年夏天，大型强子对撞机的科学家就是这样发现希格斯玻色子的。（在这个新案例中，科学家们正在寻找粒子行为，而不一定是新的基本部分。）

弹片通常会以接近光速的速度向四面八方飞出——但有时，爆炸的碎片会做出不同的反应。它们会以有序的方式飞离彼此，相互关联。这种现象在质子-质子碰撞中曾出现过，在铅等重金属原子核碰撞中也曾出现过。在重离子碰撞中，这种关联是有一定道理的，因为物理学家认为这是夸克胶子等离子体的结果。这种翻腾的粒子汤与大爆炸后最初几百万分之一秒存在的原始汤相同。这种粒子汤将粒子聚集在一起，并将它们推向同一方向。同样，在质子-质子碰撞中，粒子被认为是被卷入一种叫做色玻璃凝聚态的东西中，这种凝聚态也表现得像一波胶子。

现在 CMS 科学家表示，这种方向相关性也发生在质子-铅碰撞中。这令人吃惊。麻省理工学院称，这可能与量子力学有关。

麻省理工学院物理学教授冈瑟·罗兰 (Gunther Roland) 告诉《麻省理工学院新闻》：“尽管不清楚它们如何相互传达方向，但它们却以相同的方向飞行。这让包括我们在内的许多人感到惊讶。”他的团队领导了碰撞数据的分析。

9 月，CMS 成员将粒子加速器开到略高于其最大容量的一半，并开始对撞铅核和质子，以寻找这两种粒子之间的角度关联。在 200 万次铅-质子碰撞样本中，有几对粒子飞离时各自的方向是关联的。这是如何发生的？

LHC 和其他粒子对撞机都旨在加速粒子，从而赋予它们更多能量，也就是更大的质量。这让它们变得更“重”，因此当它们爆炸时会产生更多碎片。但这也给粒子的行为带来了一些变化。即：正常质子有三个夸克，但当质子加速变重时，额外的胶子会粘在它们身上。这些胶子（从技术上讲所有粒子都是如此）既是粒子又是波。它们的波函数彼此相关——正如 MIT News 所解释的那样，它们是纠缠的。这种量子纠缠，即鬼魅般的超距作用，解释了飞离彼此的粒子如何具有共同的行为。

为什么要关心这些？结果完全出乎意料——CMS 团队进行了一些质子-铅碰撞是为了获得更好的控制数据。所以这很有趣。但更根本的是，它表明了一些在最小层面上新理解的行为。完善我们对夸克和胶子在质子内行为的理解将提高我们对所有物质的构成要素以及大爆炸后物质行为的理解。这正是 LHC 建造的目的。

麻省理工学院新闻