粒子加速器通过让原子以接近光速碰撞，揭示核物质本质，科学家借此研究亚原子碎片以重构物质核心组成单元。近日，由麻省理工学院领导的团队利用世界上最强大的粒子加速器，通过粒子“近距离碰撞”发现物质新特性，将粒子加速器变为新型显微镜，揭示了维系物质结构的力的新特性。相关研究发表于《物理评论快报》。
该团队报告了位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)的实验结果。与以往关注粒子碰撞不同，此次麻省理工学院研究团队聚焦粒子几乎擦肩而过的时刻。当粒子以接近光速运动，周围会形成电磁晕，靠近未碰撞时电磁晕变扁平，产生能量极高的光子，有时一个粒子产生的光子会从另一个粒子上弹开。研究团队从LHC粒子碰撞数据中识别出这种近距离“针刺”效应，即“光核相互作用”，发现部分光子撞击粒子会激发出D⁰介子并首次对其进行测量。
D⁰介子是含粲夸克的亚原子粒子，粲夸克是罕见夸克，通常不存在于普通核物质中。夸克由胶子束缚，胶子将物质结合，粲夸克只能在高能相互作用中产生，为探测原子核内部夸克和胶子提供清晰手段。通过对D⁰介子测量，研究人员可估算胶子堆积紧密程度和粒子原子核内强力强度。论文第一作者、麻省理工学院物理学助理教授吉安·米歇尔·伊诺琴蒂称，研究结果表明核物质被挤压时胶子有奇特行为，了解极端条件下胶子行为很重要，目前光核相互作用是研究胶子行为的最佳方法。
该研究共同作者包括CMS合作组成员，CMS合作组是负责运行和维护紧凑型μ子螺线管(CMS)实验的全球物理学家联盟，该实验是LHC中最大的探测器之一，为研究提供数据。
自2008年LHC运行以来，研究重点主要在“正面碰撞”上。物理学家虽早知加速粒子束会产生光核相互作用，但一直将其视为噪声。伊诺琴蒂表示，如今人们想把它用作信号，因为光子与原子核碰撞如同超高精度显微镜。当光子撞击粒子，产生的D⁰介子的数量、方向和能量与原子核中胶子能量和密度相关，但此前人们认为在原子核碰撞中无法区分光核相互作用。伊诺琴蒂称，必须设计系统在采集数据时识别罕见光核相互作用。
在新研究中，伊诺琴蒂和同事先模拟光核相互作用在众多粒子碰撞中的表现形式，特别是光子撞击原子核产生D⁰介子的场景。研究团队推断，若能探测到光核相互作用产生的D⁰介子中粲夸克的迹象，就能获得关于胶子的重要信息。他们利用模拟结果开发探测算法并应用于CMS探测器，实时搜索信号。伊诺琴蒂解释，要收集数百亿次碰撞才能提取出几百个光子撞击原子核产生D⁰介子的罕见实例。研究团队利用CMS先进探测器功能，从庞大数据集中识别出干净稀有事件样本，选择近失事件并重建D⁰介子性质，探测到D⁰介子产生，反推计算出粒子的粲夸克和胶子性质，确定原始原子核。
伊诺琴蒂称，目前数据证实了人们对高密度核物质的预期，首次证明这种测量方法可行。该团队正努力提高测量精度，以更清晰了解夸克和胶子在原子核内的排列方式。伊诺琴蒂表示，胶子是强大之力，维系宇宙，对强力的描述是自然界现象基础，现在有了证实或指出偏差的方法。
这项工作得到美国能源部部分资助，包括能源部早期职业研究计划奖，还建立在麻省理工学院众多研究人员贡献之上。
