【科普文分享】逾 80 年來首確認光子高速碰撞　可產生物質與反物質／小肥波

／／上月尾刊於 Physical Review Letters 的研究指，美國 Brookhaven 國家實驗室成功用相對論性重離子對撞機 (RHIC) 直接觀察到 Breit-Wheeler 過程，即光子可通過強力撞擊結合，變成物質與反物質。

Breit-Wheeler 過程在 1934 年由物理學家 Gregory Breit 和 John A. Wheeler 首次提出，理論指兩個光子可通過強力撞擊結合，有可能變成物質與反物質，形成電子和正電子。這種把光變成物質的過程是愛因斯坦狹論相對論中質能方程式 E=mc² 的直接反映，表明能量和質量是可以互相轉化。長期以來，學界都期望通過超強功率的激光碰撞來觀測過程，然而兩個光子發生碰撞的概率非常低，其所需的最低激光功率仍然比目前功率最高的激光系統要高幾個數量級。

有参與研究的 Brookhaven 國家實驗室物理部教授許長補指，當年 Breit 和 Wheeler 提出理論時，激光還未被發明，他們提出替代方案，通過加速重離子到相對論能區並碰撞來實現光生物質， RHIC 正是為此而設。

RHIC 啟動後會加速離子，電子會從元素的原子核剝離。由於電子帶負電荷而原子核內的質子帶正電荷，將電子剝離會使原子核帶正電荷。元素越重，擁有的質子越多，生成的離子正電荷就越強。

團隊使用了包含 79 個質子和強大電荷的金離子做測試。當金離子被加速到非常高的速度時，會產生一個圓形磁場，強度可以與對撞機中的垂直電場一樣強大，兩者相交的地方，出現相等磁場可產生電磁粒子或光子。許解釋，當離子以接近光速的速度運動時，金原子核周圍會有一堆光子，像雲一樣隨其移動。

在 RHIC 中，金離子會被加速到光速的 99.995% ，即使兩個離子彼此錯過時，產生的光子雲仍可互動碰撞；雖然無法檢測到碰撞本身，但產生的正負電子對可以顯示碰撞曾經出現。然而，僅僅檢測正負電子對並不足夠。因為電磁互動作用產生的光子是虛擬光子，會短暫地出現和消失，並且沒有與「真實」對應物相同的質量。

為了完全確認 Breit-Wheeler 過程出現，團隊分析了 6,000 多對正負電子的角度，比較每一電子對的質量和角分布是否與理論所上的光子碰撞一致。另一参與研究的物理學家 Daniel Brandenburg 補充，團隊也測量了系統的所有能量、質量分佈和量子數，確定如 Breit 和 Wheeler 最初預測一樣，光子碰撞可直接產生物質與反物質。

來源：
Science Alert, Physicists Detect Strongest Evidence Yet of Matter Generated by Collisions of Light, 10 August 2021

報告：
Adam, J. Adamczyk, L., Adams, J.R. & et al. (2021). Measurement of e+e− Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions. Phys. Rev. Lett. 127, 052302 – Published 27 July 2021. doi: 10.1103/PhysRevLett.127.052302

文／Alan Chiu／／

#Q博展知識
在德國科學家倫琴發現X射線以前，醫生診斷病患體內的情況在手術前都只能依據觸診或是病患自己的描述，這樣的診斷方法常會造成誤診，以致拖延治療進度

現代醫學造影技術的發展，使病患經過掃描後就能夠很清楚的知道體內發生的問題，協助醫生更了解病患的狀況。

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【3D影像醫學及手術】
1970年代發展的電腦斷層(Computed Tomography，簡稱CT)及磁振造影(MRI)，經過數代的進階，時至今日的21世紀，不僅速度飛快、解析度高清、更進入從二維(2D)重建三維(3D)接近人體解剖的虛擬實境(Virtual Reality簡稱VR)的軟體發展。 VR虛擬實境已經運用在遊戲、媒體、室內設計、建築等各行各業，透過這樣技術將是未來融合虛實世界的重要設備，同樣運用於外科手術，三維(3D)的VR更可以做治療前計畫、教學及微創手術前的模擬操作。

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【核子醫學科技】
大自然中有氮、氫、氧、碳……等多種元素，這些元素分別有不同的原子序數與質量數。凡原子序數相同、質量數不同的元素都稱為同位素，各同位素的化學性質仍相同，只是物理性質不一樣。例如：氫有三個同位素，氫一叫氫，氫二叫氘，氫三叫氚，原子序都是1，但其質量數，氫是1，氘是2，氚是3，質量數的不同，使物理性質也不同。若從物理上觀察：氫的個性穩定，不會釋出放射線，稱為氫的「穩定同位素」；氚的個性不穩定，會釋出β負粒子放射線，稱為氫的「放射性同位素」。

當我們需要放射線的時候，可以先製造一個不穩定的放射性同位素，由於它會釋出不同能量的粒子與放射線，也因此，放射性同位素成為人造放射線的主要來源之一。

核醫科技結合放射性同位素藥物及放射線示蹤性，協助醫生診斷或追蹤病情；利用Ｘ光的穿透性，讓體內器官組織病變在底片上顯示；紫外光與物質作用時具有殺菌力；醫院為癌症病患做放射線治療，即是一種透過鈷-60加瑪（γ）射線或電子加速器產生X射線殺死癌細胞的治療方法。
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【磁振造影】
要說明磁振造影的原理，必須先解釋什麼是「核磁共振」。可以想像一個原子的結構，是在中心有一個很小的原子核，週圍有電子。不同的元素，它的原子核裡，會有不一樣數目的質子與中子，質子與中子數量的總和，稱為「質量數」。一個原子，只要原子核的質量數是奇數，比如是1, 3, 5, 7……的時候，當原子在強力磁場的作用下，原子核外圍電子的「磁矩」的「總向量和」，就會順著磁場方向來排列。這個時候，如果向原子照射適當的電磁波，原子核就會吸收其中的特定波長或能量的電磁波，被激發到比較高的能階，這個過程稱為「核磁共振」。
原子核會自然從高的能階掉回低的能階，此時它會放出電磁波，於是就產生了核磁共振的信號，也就是用來做磁振造影的信號。我們可以用儀器偵測這些信號。比方說，生物體內含有許多水，水分子是由氫原子和氧原子組成的，氫原子的質量數是1，我們就可以使用核磁共振的設備，讓它產生信號，並且偵測。醫學界發現，利用這個方法，不必動手術接觸人體，就可以獲取體內水分子分布的資訊，從而精確繪製人體內部的結構，這就叫做磁振造影。
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先備知識：
1.同位素的概念。

影片重點：
1.因為有同位素，所以在週期表上的原子量為「平均原子量」。
2.平均原子量為每一種同位素的原子量去乘以其所佔比例，再全部加總，是一種「加權平均的概念」。
3.質量數不等於原子量。質量數一定是整數，因為它是質子數加中子數；但原子量是與碳-12比較的結果，很有可能帶有小數。不過一般來說，質量數與原子量的大小會很接近。
4.如果題目真的沒有給同位素的「原子量」，則暫且可以把質量數當作原子量來計算。例如溴-79的原子量就直接當作是79。

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先備知識：
1.原子是由電子、質子、中子構成的。

影片重點：
1.一般在寫一個元素符號時，左下角的數字代表「原子序」，即質子的數量；而左上角的數字代表「質量數」，即質子數+中子數。
2.要求中子數=質量數-原子序

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