Физики обнаружили доказательства создания материи из света
Согласно теории, если вы достаточно сильно столкнете два фотона вместе, вы можете создать материю: пару электрон-позитрон, преобразование света в массу согласно специальной теории относительности Эйнштейна.
Это называется процессом Брейта-Уиллера, впервые изложенным Грегори Брейтом и Джоном А. Уилером в 1934 году, и у нас есть очень веские основания полагать, что это работает.
Но прямое наблюдение чистого явления, включающего всего два фотона, остается труднодостижимым, главным образом потому, что фотоны должны быть чрезвычайно энергичными (т.е. гамма-лучи), а у нас пока нет технологии для создания гамма-лазера.
Теперь физики из Брукхейвенской национальной лаборатории говорят, что они нашли способ обойти этот камень преткновения, используя релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), что привело к прямому наблюдению за процессом Брейта-Уиллера в действии.
"В своей статье Брейт и Уиллер уже поняли, что это практически невозможно сделать", - сказал физик Чжанбу Сюй из Brookhaven Lab. "Лазеров еще даже не существовало! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов. И их альтернатива - это именно то, что мы делаем в RHIC".
Но какое отношение ускоренные ионы имеют к столкновениям фотонов?
Процесс включает, как следует из названия коллайдера, ускорение ионов - атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (в ядре) - положительный, при его удалении из ядра остается положительный заряд. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.
Команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они создают круговое магнитное поле, которое может быть столь же мощным, как и перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут производить электромагнитные частицы или фотоны.
На RHIC ионы ускоряются до релятивистских скоростей - тех, которые составляют значительный процент скорости света. В этом эксперименте ионы золота были ускорены до 99,995 процентов скорости света.
Вот где происходит волшебство: когда два иона просто не попадают друг в друга, их два облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения невозможно обнаружить, но возникающие в результате электрон-позитронные пары могут.
Однако недостаточно просто обнаружить пару электрон-позитрон.
Это потому, что фотоны, произведенные электромагнитным взаимодействием, являются виртуальными фотонами, которые на короткое время появляются и исчезают и не имеют той же массы, что и их "реальные" аналоги.
Чтобы быть истинным процессом Брейта-Уиллера, должны столкнуться два реальных фотона - ни два виртуальных фотона, ни виртуальный и реальный фотон.
При релятивистских скоростях ионов виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны. К счастью, физики могут определить, какие пары электрон-позитрон генерируются процессом Брейта-Уиллера: углы между электроном и позитроном в паре, образовавшейся в результате столкновения.
Каждый тип столкновения - виртуально-виртуальный, виртуально-реальный и реальный - можно идентифицировать по углу между двумя производимыми частицами. Таким образом, исследователи обнаружили и проанализировали углы более 6000 электронно-позитронных пар, образовавшихся в ходе их эксперимента.
Они обнаружили, что углы соответствуют столкновениям между реальными фотонами - процессу Брейта-Уиллера в действии.
Можно очень разумно аргументировать, что у нас не будет прямого первого обнаружения чистого однофотонно-фотонного процесса Брейта-Уиллера, пока мы не столкнем фотоны, энергия которых приближается к энергии гамма-лучей.
Тем не менее, работа команды очень интересна - по крайней мере, она показывает, что мы строим правильное дерево вместе с Брейтом и Уилером.
Мы и дальше будем жадно наблюдать за этим пространством.
Напомним, ранее сообщалось, что физики выяснили, как можно сделать антивещество из света.
Это называется процессом Брейта-Уиллера, впервые изложенным Грегори Брейтом и Джоном А. Уилером в 1934 году, и у нас есть очень веские основания полагать, что это работает.
Но прямое наблюдение чистого явления, включающего всего два фотона, остается труднодостижимым, главным образом потому, что фотоны должны быть чрезвычайно энергичными (т.е. гамма-лучи), а у нас пока нет технологии для создания гамма-лазера.
Теперь физики из Брукхейвенской национальной лаборатории говорят, что они нашли способ обойти этот камень преткновения, используя релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), что привело к прямому наблюдению за процессом Брейта-Уиллера в действии.
"В своей статье Брейт и Уиллер уже поняли, что это практически невозможно сделать", - сказал физик Чжанбу Сюй из Brookhaven Lab. "Лазеров еще даже не существовало! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов. И их альтернатива - это именно то, что мы делаем в RHIC".
Но какое отношение ускоренные ионы имеют к столкновениям фотонов?
Процесс включает, как следует из названия коллайдера, ускорение ионов - атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (в ядре) - положительный, при его удалении из ядра остается положительный заряд. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.
Команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они создают круговое магнитное поле, которое может быть столь же мощным, как и перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут производить электромагнитные частицы или фотоны.
"Итак, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, есть пучок фотонов, окружающих ядро золота, которые движутся вместе с ним, как облако", - объяснил Сюй.
На RHIC ионы ускоряются до релятивистских скоростей - тех, которые составляют значительный процент скорости света. В этом эксперименте ионы золота были ускорены до 99,995 процентов скорости света.
Вот где происходит волшебство: когда два иона просто не попадают друг в друга, их два облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения невозможно обнаружить, но возникающие в результате электрон-позитронные пары могут.
Однако недостаточно просто обнаружить пару электрон-позитрон.
Это потому, что фотоны, произведенные электромагнитным взаимодействием, являются виртуальными фотонами, которые на короткое время появляются и исчезают и не имеют той же массы, что и их "реальные" аналоги.
Чтобы быть истинным процессом Брейта-Уиллера, должны столкнуться два реальных фотона - ни два виртуальных фотона, ни виртуальный и реальный фотон.
При релятивистских скоростях ионов виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны. К счастью, физики могут определить, какие пары электрон-позитрон генерируются процессом Брейта-Уиллера: углы между электроном и позитроном в паре, образовавшейся в результате столкновения.
Каждый тип столкновения - виртуально-виртуальный, виртуально-реальный и реальный - можно идентифицировать по углу между двумя производимыми частицами. Таким образом, исследователи обнаружили и проанализировали углы более 6000 электронно-позитронных пар, образовавшихся в ходе их эксперимента.
Они обнаружили, что углы соответствуют столкновениям между реальными фотонами - процессу Брейта-Уиллера в действии.
"Мы также измерили все энергии, массовые распределения и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами", - сказал физик Даниэль Бранденбург из Brookhaven Lab.
"Наши результаты представляют собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар материя- антивещество в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер".
Можно очень разумно аргументировать, что у нас не будет прямого первого обнаружения чистого однофотонно-фотонного процесса Брейта-Уиллера, пока мы не столкнем фотоны, энергия которых приближается к энергии гамма-лучей.
Тем не менее, работа команды очень интересна - по крайней мере, она показывает, что мы строим правильное дерево вместе с Брейтом и Уилером.
Мы и дальше будем жадно наблюдать за этим пространством.
Напомним, ранее сообщалось, что физики выяснили, как можно сделать антивещество из света.
