Производство материи / антивещества из чистой энергии путем столкновений света
Новое исследование демонстрирует давно предсказанный процесс генерации материи непосредственно из света и доказывает, что магнетизм может изгибать поляризованные фотоны по разным путям в вакууме.
Создание материи из света: два иона золота (Au) (красный) движутся в противоположном направлении со скоростью 99,995% от скорости света (v, для скорости, = приблизительно c, скорости света). Поскольку ионы проходят друг через друга, не сталкиваясь, два фотона (γ) из электромагнитного облака, окружающего ионы, могут взаимодействовать друг с другом, создавая пару материя-антивещество: электрон (e—) и позитрон (e+).
Ученые, изучающие столкновения частиц на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) — пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США для исследований ядерной физики в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики — предоставили убедительные доказательства двух физических явлений, предсказанных более 80 лет назад. Результаты были получены из подробного анализа более 6000 пар электронов и позитронов, образовавшихся при столкновении скользящих частиц на RHIC.
Основное открытие состоит в том, что пары электронов и позитронов — частицы вещества и антивещества — могут быть созданы непосредственно путем столкновения очень энергичных фотонов, которые представляют собой квантовые «пакеты» света. Это преобразование энергичного света в материю является прямым следствием известного Эйнштейна E = mc2 уравнение, в котором говорится, что энергия и материя (или масса) взаимозаменяемы. Ядерные реакции на Солнце и на атомных электростанциях регулярно превращают вещество в энергию. Теперь ученые за один шаг преобразовали световую энергию непосредственно в материю.
Второй результат показывает, что путь света, проходящего через магнитное поле в вакууме, изгибается по-разному в зависимости от того, как этот свет поляризован. Такое зависящее от поляризации отклонение (известное как двойное лучепреломление) происходит, когда свет проходит через определенные материалы. (Этот эффект похож на способ длина волны-зависимое отклонение разбивает белый свет на радуги.) Но это первая демонстрация поляризационно-зависимого отклонения света в вакууме.
Оба результата зависят от способности детектора RHIC STAR — Solenoid Tracker в RHIC — измерять угловое распределение частиц, образующихся при скользящих столкновениях ионов золота, движущихся почти со скоростью света.
Таких возможностей не существовало, когда физики Грегори Брейт и Джон А. Уиллер впервые описали гипотетическую возможность столкновения легких частиц с образованием пар электронов и их аналогов из антивещества, известных как позитроны, в 1934 году.
«В своей статье Брейт и Уиллер уже поняли, что это практически невозможно сделать, — сказал физик Брукхейвенской лаборатории Чжанбу Сюй, член RHIC STAR Collaboration.
Лазеров еще даже не было! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов. И их альтернатива — это именно то, что мы делаем в RHIC ».
Ион — это, по сути, голый атом, лишенный электронов. Ион золота с 79 протонами несет мощный положительный заряд. Ускорение такого заряженного тяжелого иона до очень высоких скоростей создает мощное магнитное поле, которое закручивается по спирали вокруг ускоряющейся частицы, когда она движется — подобно току, протекающему по проводу.
«Если скорость достаточно высока, сила кругового магнитного поля может быть равна напряженности перпендикулярного электрического поля», — сказал Сюй. И это расположение перпендикулярных электрических и магнитных полей равной силы и есть фотон — квантованная «частица» света. «Итак, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, есть пучок фотонов, окружающих ядро золота, которые движутся вместе с ним, как облако».
В RHIC ученые ускоряют ионы золота до 99,995% скорости света в двух кольцах ускорителей.
«У нас есть два облака фотонов, движущихся в противоположных направлениях с достаточной энергией и интенсивностью, чтобы, когда два иона скользили мимо друг друга, не сталкиваясь, эти фотонные поля могли взаимодействовать», — сказал Сюй.
Физики STAR отслеживали взаимодействия и искали предсказанные электрон-позитронные пары.
Но такие пары частиц могут быть созданы с помощью ряда процессов в RHIC, в том числе с помощью «виртуальных» фотонов, состояния фотона, которое существует кратковременно и несет эффективную массу. Чтобы быть уверенным, что пары материя-антивещество исходят от реальных фотонов, ученые должны продемонстрировать, что вклад «виртуальных» фотонов не влияет на результат эксперимента.
Для этого ученые STAR проанализировали закономерности углового распределения каждого электрона относительно его позитрона-партнера. Эти паттерны различаются для пар, образованных взаимодействием реальных фотонов, и виртуальных фотонов.
«Мы также измерили всю энергию, массовое распределение и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами », — сказал Дэниел Бранденбург, научный сотрудник Goldhaber из Brookhaven Lab, который проанализировал данные STAR об этом открытии.
Другие ученые пытались создать электронно-позитронные пары из столкновений света с помощью мощных лазеров — сфокусированных лучей интенсивного света. Но отдельные фотоны в этих интенсивных лучах пока не имеют достаточной энергии, сказал Бранденбург.
Один эксперимент в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в 1997 году увенчался успехом благодаря использованию нелинейного процесса. Ученым сначала пришлось увеличить энергию фотонов в одном лазерном луче, столкнув его с мощным электронным лучом. Столкновения усиленных фотонов с несколькими фотонами одновременно в огромном электромагнитном поле, созданном другим лазером, производили материю и антивещество.
«Наши результаты представляют собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар материя-антивещество в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер», — сказал Бранденбург. «Благодаря высокоэнергетическому пучку тяжелых ионов RHIC и большим приемочным и точным измерениям детектора STAR мы можем анализировать все кинематические распределения с высокой статистикой, чтобы определить, что экспериментальные результаты действительно согласуются с реальными столкновениями фотонов».
Изгибающийся свет в вакууме
Способность STAR измерять крошечные отклонения электронов и позитронов, возникающих почти один за другим в этих событиях, также дала физикам возможность изучить, как легкие частицы взаимодействуют с мощными магнитными полями, создаваемыми ускоренными ионами.
«Облако фотонов, окружающее ионы золота в одном из лучей RHIC, стреляет в сильное круговое магнитное поле, создаваемое ускоренными ионами в другом луче золота», — сказал Чи Ян, давний сотрудник STAR из Университета Шаньдун, который провел свои Всю свою карьеру изучает электрон-позитронные пары, полученные в результате различных процессов в RHIC. «Глядя на распределение выходящих частиц, мы узнаем, как поляризованный свет взаимодействует с магнитным полем».
Вернер Гейзенберг и Ганс Генрих Эйлер в 1936 году и Джон Толл в 1950-х годах предсказали, что вакуум пустого пространства может быть поляризован мощным магнитным полем и что такой поляризованный вакуум должен отклонять пути фотонов в зависимости от поляризации фотонов. Толль в своей диссертации также подробно описал, как поглощение света магнитным полем зависит от поляризации и его связи с показателем преломления света в вакууме. Это зависящее от поляризации отклонение или двойное лучепреломление наблюдалось во многих типах кристаллов. Также недавно появилось сообщение о том, что свет, исходящий от нейтронной звезды, искривляется таким образом, предположительно из-за его взаимодействия с магнитным полем звезды. Но ни один земной эксперимент не обнаружил двойного лучепреломления в пылесос.
В RHIC ученые измерили, как поляризация света влияет на то, «поглощается» ли свет магнитным полем.
Ян объяснил, что это похоже на то, как поляризованные солнцезащитные очки блокируют прохождение определенных лучей, если они не соответствуют поляризации линз. В случае солнцезащитных очков, помимо уменьшения пропускания света, вы, в принципе, можете измерить повышение температуры материала линз, поскольку он поглощает энергию заблокированного света. В RHIC поглощенная световая энергия — это то, что создает электронно-позитронные пары.
«Когда мы смотрим на продукты, произведенные фотон-фотонными взаимодействиями в RHIC, мы видим, что угловое распределение продуктов зависит от угла поляризации света. Это указывает на то, что поглощение (или прохождение) света зависит от его поляризации », — сказал Ян.
Это первое экспериментальное наблюдение на Земле, которое показывает, что поляризация влияет на взаимодействие света с магнитным полем в вакууме — двойное лучепреломление вакуума, предсказанное в 1936 году.
«Оба этих открытия основаны на предсказаниях, сделанных некоторыми из великих физиков в начале 20-го века», — сказал Фрэнк Гертс, профессор Университета Райса, команда которого построила и эксплуатировала ультрасовременный «Time-of- Полетные »компоненты детектора STAR, которые были необходимы для этого измерения. «Они основаны на фундаментальных измерениях, которые стали возможными только недавно с помощью технологий и методов анализа, которые мы разработали в RHIC».
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Похожие статьи
ДРУГИЕ НОВОСТИ
