Fyzici zisťujú doteraz najsilnejšie dôkazy hmoty generované zrážkami svetla

(sakkmesterke/iStock/Getty Images Plus)

Podľa teórie, ak dostatočne silno rozbijete dva fotóny dohromady, môžete vytvoriť hmotu: elektrón-pozitrónový pár, premenu svetla na hmotu podľa Einsteinovej teórie špeciálna teória relativity .

Nazýva sa to proces Breit-Wheeler, ktorý prvýkrát predstavili Gregory Breit a John A. Wheeler v roku 1934, a máme veľmi dobrý dôvod veriť, že by to fungovalo.

Ale priame pozorovanie čistého javu zahŕňajúceho iba dva fotóny zostalo nepolapiteľné, hlavne preto, že fotóny musia byť extrémne energetické (t.j. gama lúče) a zatiaľ nemáme technológiu na zostrojenie gama lasera.



Fyzici z Brookhaven National Laboratory teraz tvrdia, že našli spôsob, ako obísť tento kameň úrazu pomocou relativistického zrážača ťažkých iónov (RHIC) v zariadení – výsledkom čoho je priame pozorovanie procesu Breit-Wheeler v akcii.

Breit a Wheeler si už vo svojich novinách uvedomili, že je to takmer nemožné. povedal fyzik Zhangbu Xu z Brookhaven Lab.

„Lasery ešte ani neexistovali! Breit a Wheeler však navrhli alternatívu: zrýchlenie ťažkých iónov. A ich alternatíva je presne to, čo robíme v RHIC.“

Čo však majú zrýchlené ióny spoločné so zrážkami fotónov? No vieme si to vysvetliť.

Tento proces zahŕňa, ako naznačuje názov urýchľovača, urýchľovanie iónov - atómových jadier zbavených elektrónov. Pretože elektróny majú záporný náboj a protóny (v jadre) majú kladný náboj, odizolovanie zanecháva jadro s kladným nábojom. Čím je prvok ťažší, tým má viac protónov a tým silnejší je kladný náboj výsledného iónu.

Tím použil ióny zlata, ktoré obsahujú 79 protónov a silný náboj. Keď sú ióny zlata zrýchlené na veľmi vysoké rýchlosti, vytvárajú kruhové magnetické pole, ktoré môže byť také silné ako kolmé elektrické pole v zrážači. Tam, kde sa pretínajú, môžu tieto rovnaké polia produkovať elektromagnetické častice alebo fotóny.

'Takže, keď sa ióny pohybujú blízko rýchlosti svetla, okolo zlatého jadra je veľa fotónov, ktoré s ním putujú ako oblak,' Xu vysvetlil .

Na RHIC sú ióny zrýchlené na relativistické rýchlosti - také, ktoré predstavujú významné percento rýchlosti svetla. V tomto experimente boli ióny zlata zrýchlené na 99,995 percent rýchlosti svetla.

Toto je miesto, kde sa deje kúzlo: Keď sa dva ióny len minú, ich dva oblaky fotónov môžu interagovať a zraziť sa. Samotné zrážky sa nedajú zistiť, ale vznikajúce páry elektrón-pozitrón áno.

Nestačí však len detekovať elektrón-pozitrónový pár.

Diagram znázorňujúci, ako takmer nedosiahnutie zlatých iónov spôsobuje zrážky fotónov. (Brookhaven Lab)

Je to preto, že fotóny produkované elektromagnetickou interakciou sú virtuálne fotóny, ktoré sa nakrátko objavia a zaniknú a nemajú rovnakú hmotnosť ako ich „skutoční“ náprotivky.

Aby bol proces Breit-Wheeler skutočný, musia sa zraziť dva skutočné fotóny – nie dva virtuálne fotóny, ani virtuálny a skutočný fotón.

Pri relativistických rýchlostiach iónov sa môžu virtuálne častice správať ako skutočné fotóny. Našťastie existuje spôsob, akým fyzici môžu zistiť, ktoré páry elektrón-pozitrón sú generované Breit-Wheelerovým procesom: uhly medzi elektrónom a pozitrónom v páre generované zrážkou.

Každý typ kolízie - virtuálna-virtuálna, virtuálna-reálna a skutočná-reálna - možno identifikovať na základe uhla medzi dvoma produkovanými časticami. Výskumníci teda detekovali a analyzovali uhly viac ako 6 000 elektrón-pozitrónových párov vytvorených počas ich experimentu.

Zistili, že uhly boli v súlade so zrážkami medzi skutočnými fotónmi - proces Breit-Wheeler v akcii.

„Zmerali sme aj všetku energiu, rozloženie hmoty a kvantové čísla systémov. Sú v súlade s teoretickými výpočtami toho, čo by sa stalo so skutočnými fotónmi,“ povedal fyzik Daniel Brandenburg z Brookhaven Lab.

„Naše výsledky poskytujú jasný dôkaz priameho, jednokrokového vytvárania hmoty – antihmota páry zo zrážok svetla, ako pôvodne predpovedali Breit a Wheeler.“

Argumentovať by sa dalo veľmi rozumne, že nebudeme mať a priamy prvá detekcia čistého, jednofotónovo-fotónového Breit-Wheelerovho procesu, kým nezrazíme fotóny blížiace sa energii gama lúčov.

Napriek tomu je práca tímu veľmi presvedčivá – prinajmenšom ukazuje, že s Breitom a Wheelerom štekáme na správny strom.

Tento priestor budeme naďalej vášnivo sledovať.

Výskum bol publikovaný v r Fyzické prehľadové listy .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.