Eksperiment stvara svjetlost

Jedno od osnovnih predviđanja kvantne elektrodinamike sada se može dokazati

Svjetlost iz materije - Prema Breit-Wheelerovoj teoriji stvara se elektro-pozitronski par. © ESO / A. Roquette
čitati naglas

Temeljna transformacija: Fizičari su razvili eksperiment u kojem sudarom fotona nastaje par elektrona-pozitrona. Ovaj prethodno samo teoretski predviđeni postupak mogao se stoga eksperimentalno pokazati prvi put. Iznenađujuća stvar: Sve što trebate je tehnologija i oprema koja već postoji. Provedba je stoga relativno jednostavna. Utrka za prvi eksperimentalni dokaz otvorena je, tvrde istraživači u časopisu "Nature Photonics".

Već 1943., dva fizičara Gregory Breit i John Wheeler postulirali su da se materija može pojaviti iz svjetlosti: oni su pomoću jednadžbe dokazali da je sudar dva fotona teoretski dovoljan za proizvodnju elektrona i pozitrona - i na taj način materiju čestica. Ova Breit-Wheelerova teorija danas je jedno od sedam temeljnih teorijskih predviđanja kvantne elektrodinamike (QED).

S laserskim svjetlom ...

Međutim, to se nije moglo eksperimentalno dokazati. Visoke gustoće fotona koje su bile potrebne do sada su spriječile promatranje proizvodnje ovog para čestica. "Iako su svi fizičari prihvatili Breitovu i Wheelerovu teoriju kao istinitu, nisu očekivali da će je ikada prikazati u laboratoriju", objašnjavaju Oliver Pike i njegovi kolege s Imperial College u Londonu. "Ali sada, 80 godina kasnije, pokazujemo da radimo dobro."

Fizičari su razvili koncept eksperimenta koji praktično može prvi put pokazati proizvodnju tvari iz svjetla - koristeći postojeću tehnologiju. Čitava stvar djeluje u dva koraka, kako objašnjavaju. Prvo, uz pomoć laserske svjetlosti mora se stvoriti iznimno visokoenergetski elektronski snop. Ti elektroni, koji lete točno ispod brzine svjetlosti, ispaljuju se na komad masivnog zlata. To stvara bremsstrahlung u obliku gama zračenja, čija je energija milijardu puta veća od energije vidljive svjetlosti.

Osnovni procesi kvantne elektrodinamike - samo Breit-Wheelerova teorija još nije eksperimentalno potvrđena. Oliver Pike / Imperial College London

I vakuum šupljina

Za drugi korak eksperimenta potrebna vam je takozvana vakuum šupljina - sićušna šupljina u drugom komadu zlata. Unutrašnjost ove zlatne ljuske zagrijava se visokoenergetskim laserom, tako da ona stvara i polje zračenja koje je također ispunjeno fotonima, tvrde istraživači. U ovom polju, visokoenergetski fotonski snop sada je usmjeren od prvog koraka. prikaz

U eksperimentu su upravo to predvidjeli Breit i Wheeler: sudaraju se fotoni snopa i polja, stvarajući parove elektrona i pozitrona. Mogu se otkriti detektorima dok izlaze iz šupljine. Kako su istraživači izračunali, snop od 100 milijuna fotona dovoljan je da proizvede između 100 i 10.000 takvih parova čestica po snimku. Iskorištenje se linearno povećava s veličinom vakuumske šupljine.

Trka se otvorila

Velika prednost ovog koncepta eksperimenta: nijednu od osnovnih tehnologija ne treba ponovno izumiti ili razviti. "To je za nas bilo iznenađujuće: materiju možemo stvoriti iz svjetlosti pomoću tehnologije kakvu imamo danas", kaže stariji autor Steve Rose. U istraživanju fuzije već se koristi vakuumska šupljina, uključujući Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore u Kaliforniji. Visokoenergetski fotonski snopovi mogu se stvoriti u posebnim akceleratorima čestica, elektronskim sinkrotronima.

"Eksperimentalni dizajn koji ovdje predlažemo može se provesti relativno jednostavno i uz postojeća sredstva", kaže Pike. "Ovime se otvara utrka za provođenje ovog eksperimenta!" (Nature Photonics, 2014; doi: 10.1038 / nphoton.2014.95)

(Priroda / Imperial College, 19.05.2014. - NPO)