［本站讯］近期，RHIC-STAR国际合作实验在世界上首次证实了从纯能量产生正反物质对的基本物理过程，并提供了真空中的偏振光在磁场作用下折射的实验证据。这两个过程分别于1934年和1936年被提出，距今已有80多年。实验结果发表在物理评论快报上[Phys.Rev. Lett. 127, 052302 (2021)]。山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心杨驰教授和当时在山东大学攻读博士后（优秀海外博士引进项目资助）、现在在美国布鲁克海文国家实验室做Goldhaber fellow的James Daniel Brandenburg对该研究作出重要贡献。这项工作由布鲁克海文国家实验室和山东大学研究团队主导完成，研究团队还包括来自中国科学技术大学、Rice University和Creighton University的科研人员。

实验观测到来自于光子-光子对撞产生的正反物质—正负电子对，是科学家首次通过单次过程把来自于光的能量直接转化为物质。它的逆过程，正反电子湮灭产生双光子对,早在1930年就由我国著名核物理学家赵忠尧先生（1902-1998）在加州理工大学实验室实现。1934年Gregory Breit和John A. Wheeler首次预言了光子对撞产生正负电子对的过程。80多年后，RHIC通过加速两束金原子核到99.995%光速使核周围产生伴随其运动的“光子云”并对撞，测量到了该过程。一次金原子核携带的“光子云”对撞可等效为约4000万次光子-光子对撞。

以接近光速运动的金原子核在相互“擦肩而过”时，伴随运动的“光子云”对撞产生正反物质-电子与正电子的示意图（图片来源：BNL）

实验进一步测量了偏振光在强磁场中被“吸收”产生的正负电子对，看到了基于光偏振角的“吸收”（或“通过”）。这种效应是真空双折射现象的一种反映。该测量是人类首次通过地表实验观测到真空双折射的迹象。此前对真空双折射的测量来自于天文观测-光通过中子星周围被星球的磁场“弯折”。该效应的测量受到了山大粒子科学技术研究中心周剑教授理论团队的启发[Phys. Lett. B 795, 576–580 (2019)]。该团队首次提出量子电动力学（QED）中实光子对撞的角分布在RHIC实验中的测量方法。这是高能核物理领域理论研究引导实验测量的成功例子。

RHIC-STAR实验由来自13个国家67个单位的700多位科研人员组成。本研究数据分析部分主要由当时在山东大学攻读博士后的J.D. Brandenburg完成。实验结果由其代表STAR合作组在Quark Matter 2019国际会议上首次公开汇报。BNL近期发表了该研究成果的新闻。该工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部和山东大学等的资助。

相关链接：

RHIC-STAR实验论文: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.052302

美国布鲁克海文国家实验室新闻链接：https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=119023