Физики обнаружили материю порожденную столкновением света

Если вы достаточно сильно столкнете вместе два фотона, 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 он работает.

Но прямое наблюдение чистого явления, включающего всего два фотона, остается труднодостижимым, в основном потому, что фотоны должны быть чрезвычайно энергичными (т.е. гамма-лучи), а у нас пока нет технологии для создания гамма-лазера.

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории заявили, что 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? Что ж, мы можем объяснить.

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.

Ученые использовали 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 перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, 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.

Здесь происходит волшебство: когда два иона просто не попадают друг в друга, два их облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения невозможно обнаружить, но возникающие в результате электрон-позитронные пары можно.

Однако недостаточно просто обнаружить пару электрон-позитрон.

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 «настоящие» аналоги.

Чтобы проследить реальный процесс 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 сказать, 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-реальный — можно идентифицировать по углу между двумя производимыми частицами. Таким образом, исследователи обнаружили и проанализировали углы более 6000 электронно-позитронных пар, образовавшихся в ходе эксперимента.

Они обнаружили, что углы соответствуют столкновениям между реальными фотонами — процессу Брейта-Уиллера в действии.

«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 — антиматерия в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер».

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.