物理学家发现了异常奇特的“粒子”——奇子

北京时间5月4日消息，据国外媒体报道，让我们从一个表面上看起来非常糟糕的物理学谜语开始：这是一种还不是真正粒子的粒子；甚至在这种粒子能被探测到之前它就已经消失了，然而还是可以被看到；它打破了人们对物理学的理解，但并没有彻底改写物理学知识。它是什么？

看到这里你可能已经一头雾水，让我们来揭晓谜底：它就是被称为“奇子”（odderon）的亚原子准粒子。直到不久前，科学家才用大型强子对撞机（LHC）发现了这种粒子存在的可能证据。坐落于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机是世界上最强大的粒子“粉碎机”，可以在周长达到27公里的隧道中将粒子加速到接近光速。

复杂的奇子

首先，奇子并不是真正的粒子。我们通常认为粒子是相当稳定的，比如电子、质子、夸克、中微子等。你可以将这些粒子拿在手里，随身携带——确切地说，你的手实际上就是由它们构成的。而且，你的手并不会在稀薄的空气中很快消失，因此可以放心地假设构成手的基本粒子可以长期存在。

还有一些粒子虽然不会持续很长时间，但仍然被称为粒子。尽管寿命短暂，但它们是自由、独立的，并且可以独自存在，不参与任何相互作用，这些都是一个真正粒子的标志。

然后就是所谓的准粒子（quasiparticle），它们只比“根本不是粒子”更进了一步。准粒子并不完全是粒子，但它们也不是完全虚构的。它们只是……比较复杂。

确实很复杂。特别是，高速运动的粒子在相互作用时的情况本身就十分复杂。当两个质子以接近光速的速度撞击时，并不会像台球碰撞那样裂开，而更像是两只水母晃动着撞向对方，将各自的内脏翻出来，在一切重新排列之后又恢复成水母的模样，各自分开。

什么是准粒子？

在所有这些复杂的混乱中，有时会出现奇特的模式。微小的粒子在眨眼间突然蹦出来，紧接着又有一个稍纵即逝的粒子出现，然后又出现一个。有时这些粒子的闪烁会以特定的序列或模式出现；有时甚至根本就不是粒子的闪烁，而只是碰撞混沌中的振动——表明某种瞬态粒子出现的振动。

在这里，物理学家面临一个数学上的两难困境。他们可以尝试完整描述导致这些模式的复杂混乱，也可以假装——纯粹是为了方便起见——这些模式本身就是“粒子”，但具有奇特的属性，比如负质量和随时间而改变的自旋。

物理学家选择了后一个选项，于是准粒子就诞生了。准粒子其实是短暂、活跃的能量模式，出现在高能粒子的碰撞中。由于在数学上完整描述这类情况需要大量的工作，因此物理学家采取了一些捷径，假装这些模式本身是粒子。这么做只是为了在数学上更容易处理。因此，准粒子被当作粒子来对待，即使它们本身绝对不是粒子。

奇子之“奇”

奇子是一种特殊的准粒子，在20世纪70年代时就被预测存在。科学家认为，奇子出现于质子和反质子碰撞过程中奇数个夸克短暂闪烁并转瞬即逝的时候。如果在这个碰撞场景中出现了奇子，那么粒子自身的碰撞与粒子和反粒子的碰撞之间就存在横截面（物理学上描述一个粒子撞击另一粒子容易程度的术语）的细微差异。

因此，如果我们将一大堆质子碰撞在一起，那我们就可以计算出这种相互作用的横截面；然后，我们再进行质子-反质子的碰撞，计算出横截面。如果没有奇子，那这两个横截面应该是完全相同的。奇子改变这一切。这些转瞬即逝的模式在粒子-粒子碰撞中比在反粒子-反粒子碰撞中更容易出现，从而使横截面发生了细微改变。

令人头疼的是，这种差异预计会极其细微，只有在进行大量碰撞之后你才能宣称检测到奇子的证据。

如果我们有一台巨大的粒子对撞机，它经常将质子和反质子一起“粉碎”，并且碰撞次数足够多，碰撞的能量足够高，那我们就能获得可靠的统计数据。没错，我们说的就是大型强子对撞机。

在3月26日在线发表于预印本网站arXiv的一篇论文中，TOTEM（全截面弹性散射侦测器）协作团队报道了质子相互碰撞与质子-反质子碰撞之间的横截面显著差异。解释这种差异的唯一方法就是重拾几十年前关于奇子的预测。这些数据可能还有其他解释（换句话说，可能还有其他形式的奇特粒子），但奇子似乎是最好的候选。

TOTEM发现了一些关于宇宙的新东西吗？当然。TOTEM发现了一种全新的粒子吗？不，因为奇子是准粒子，它本身并不是粒子。奇子是否仍然有助于我们突破已知物理学的界限？当然。奇子会颠覆已知的物理学吗？不，因为科学家就是根据已知物理学的理解做出了奇子的预测。