Физики экспериментально доказали, что столкновения фотонов могут создавать материю
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, если достаточно сильно столкнуть два фотона вместе, образуется материя: пара электрон — позитрон. Теперь физики получили экспериментальное подтверждение этого.
Исследование опубликовано в Physical Review Letters, коротко о нем рассказывает Science Alert.
Процесс преобразования энергии в массу был назван по имени физиков Грегори Брейта и Джона А. Уилера, впервые описавших его в 1934 году. Однако прямое наблюдение подобного преобразования было недостижимо: фотоны в этом случае должны быть чрезвычайно энергичными, и современные технологии пока не позволяют достичь такой энергии.
В новой работе физики из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) нашли способ решить эту проблему, используя релятивистский коллайдер тяжелых ионов, что позволило наблюдать за процессом Брейта — Уиллера в действии.
«В своей статье Брейт и Уиллер уже поняли, что реализовать этот процесс на практике почти невозможно. Еще даже лазеров не существовало! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов», — рассказали исследователи.
Коллайдер ускоряет ионы — атомные ядра, лишенные своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (в ядре) — положительный, при удалении электронов из атома 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, соответственно, мощный положительный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они создают круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как и перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут производить электромагнитные частицы или фотоны.
«Когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, появляется пучок фотонов, окружающих ядро золота, которые движутся вместе с ним как облако», — объяснили ученые.
В этом эксперименте ионы золота были ускорены до 99,995% скорости света. При этом их облака фотонов могли взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения невозможно обнаружить, но возникающие в результате электрон-позитронные пары — вполне реально.
Исследователи обнаружили и проанализировали более 6000 электронно-позитронных пар, образовавшихся в ходе их эксперимента. Они обнаружили, что углы между образовавшимися частицами соответствуют столкновениям между реальными фотонами — процессу Брейта — Уиллера в действии.
«Наши результаты представляют собой четкое свидетельство прямого, одноэтапного создания пар материя — антивещество в результате столкновения фотонов, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер», — заключили физики.
