江苏
在粒子加速器中，粒子可以被加速到接近光速，再彼此对撞。这些高能碰撞会产生大量亚原子碎片，科学家可以通过研究这些碎片，重建构成物质的核心基本单元。长期以来，大型强子对撞机（LHC）最受关注的，往往是那些“正面相撞”的剧烈事件：高速粒子迎头撞上，释放出复杂而丰富的信号。
但物理学家早已知道，当带电粒子被加速到接近光速的速度时，它们周围会包裹着一层电磁“晕”。这时，当它们彼此“擦身掠过”却并未真正发生正面碰撞时，这层电磁晕会被压扁。这种被压扁电磁场能产生极高能的光子。这些光子随后可与另一个原子核发生相互作用，形成所谓的光核相互作用。
在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，LHC的CMS合作组分析了LHC中的铅-铅（Pb-Pb）的碰撞数据，研究了高能光子与铅核之间的光核相互作用，并首次测量了这种过程中D⁰介子的产生。
为什么盯上D⁰介子
D⁰介子是一类含有粲夸克的亚原子粒子，而粲夸克是一种通常不存在于普通核物质中的稀有夸克。夸克是构成质子、中子等强子的基本粒子，而将它们束缚在一起的是胶子——负责传递强相互作用的载力粒子。
由于粲夸克通常只能在高能相互作用中产生，因此当高能光子与原子核发生相互作用并产生D⁰介子时，后者的数量、方向和能量，都与原子核内胶子的分布和密度密切相关。如果能够探测并测量这种光核相互作用，那就好比用一个极其微小却极其强大的手电筒照亮核结构。
但一直以来，物理学家并不认为，有可能从各种碰撞造成的巨大混乱中剥离出信号，从而聚焦到单个光子与原子核发生相互作用并产生一个D⁰介子的过程上。因此研究人员必须设计出一套系统，能够在采集粒子碰撞数据的同时，也识别出那些极其罕见的光核相互作用。
从海量数据中捕捉信号
在新的研究中，研究人员首先模拟了在大量的其他粒子碰撞过程中，光核相互作用会呈现出怎样的样子。他们特别模拟了这样一种情形：一个光子与一个原子核发生相互作用，并产生一个D⁰介子。尽管这类事件十分罕见，但在所有含有粲夸克的粒子中，D⁰介子已算是较为常见的一类。研究人员据此认为，如果能够识别出这些由光核相互作用产生的D⁰介子，就有望借助它们追踪粲夸克的产生过程，并进一步获得关于维系原子核的胶子的宝贵信息。
研究人员随后开发出一种用于探测光核相互作用的算法。他们将这一算法部署在CMS探测器上，以便在LHC进行粒子对撞运行期间实时搜索信号。他们需要收集数百亿次碰撞数据，才能从中提取出几百个这样的罕见事件。
利用CMS先进的探测能力，研究人员从庞大的数据集中筛选出“擦身而过”的事件，再通过重建D⁰介子的性质，最终获得了一组背景干扰较少的罕见目标事件样本。随后，研究团队利用探测到的D⁰介子，再反推出这些粒子中的粲夸克，以及在原始原子核中将它们束缚在一起的胶子的性质。
打开研究胶子的新窗口
到目前为止，这些数据与人们对高密度核物质的预期一致。而且这是首次表明，这类测量是可行的。现在，团队正在努力提高这种测量的精度，以便更清晰地描绘夸克和胶子在原子核内部是如何排布的。
胶子所体现的是一种极其强大的作用力，它让宇宙维系在一起。对强相互作用的描述，是我们在自然界中看到的一切事物的基础。而这项研究表明，物理学家如今有了一种新方法，可以更严格地检验现有的强相互作用描述，并寻找其与真实情况之间可能存在的偏差。
#参考来源：
https://news.mit.edu/2026/near-misses-particle-accelerators-can-illuminate-new-physics-0326
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/lckg-sdh9
#图片来源：
封面图&首图：CMS Collaboration
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