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.

Читай также: Ученые смогли изучить состояние материи в ранней Вселенной

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.

Читай также: Физикам удалось остановить видимый свет

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.

Читай также: Физики отправили луч света в прошлое

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.

Читай также: Все под контролем: Изобретен материал, форму которого можно программировать

"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.

Хотите знать важные и актуальные новости раньше всех? Подписывайтесь на Bigmir)net в Facebook и Telegram.

magne1906