Fysikere opdager det hidtil stærkeste bevis på stof genereret af kollisioner af lys

(sakkmesterke/iStock/Getty Images Plus)

Ifølge teorien, hvis du smadrer to fotoner hårdt nok sammen, kan du generere stof: et elektron-positron-par, omdannelsen af ​​lys til masse ifølge Einsteins teori om særlige relativitetsteori .

Det kaldes Breit-Wheeler-processen, som først blev udarbejdet af Gregory Breit og John A. Wheeler i 1934, og vi har meget god grund til at tro, at det ville virke.

Men direkte observation af det rene fænomen, der kun involverer to fotoner, er forblevet uhåndgribelig, primært fordi fotonerne skal være ekstremt energiske (dvs. gammastråler), og vi har endnu ikke teknologien til at bygge en gammastrålelaser.



Nu siger fysikere ved Brookhaven National Laboratory, at de har fundet en vej rundt om denne anstødssten ved hjælp af anlæggets Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - hvilket resulterer i en direkte observation af Breit-Wheeler-processen i aktion.

'I deres papir indså Breit og Wheeler allerede, at dette er næsten umuligt at gøre,' sagde fysiker Zhangbu Xu fra Brookhaven Lab.

'Lasere eksisterede ikke engang endnu! Men Breit og Wheeler foreslog et alternativ: acceleration af tunge ioner. Og deres alternativ er præcis, hvad vi gør hos RHIC.'

Men hvad har accelererede ioner at gøre med fotonkollisioner? Nå, vi kan forklare.

Processen involverer, som kolliderens navn antyder, accelererende ioner - atomkerner strippet for deres elektroner. Fordi elektroner har en negativ ladning, og protoner (inden for kernen) har en positiv, efterlader stripning af det kernen med en positiv ladning. Jo tungere grundstoffet er, jo flere protoner har det, og jo stærkere er den positive ladning af den resulterende ion.

Holdet brugte guldioner, som indeholder 79 protoner, og en kraftig ladning. Når guldioner accelereres til meget høje hastigheder, genererer de et cirkulært magnetfelt, der kan være lige så kraftigt som det vinkelrette elektriske felt i kollideren. Hvor de skærer hinanden, kan disse lige store felter producere elektromagnetiske partikler eller fotoner.

'Så når ionerne bevæger sig tæt på lysets hastighed, er der en flok fotoner, der omgiver guldkernen, der rejser med den som en sky,' Xu forklarede .

Ved RHIC accelereres ioner til relativistiske hastigheder - dem, der er en betydelig procentdel af lysets hastighed. I dette eksperiment blev guldionerne accelereret til 99,995 procent af lyshastigheden.

Det er her magien sker: Når to ioner bare savner hinanden, kan deres to skyer af fotoner interagere og støde sammen. Selve kollisionerne kan ikke detekteres, men det kan elektron-positron-parrene.

Det er dog heller ikke nok kun at detektere et elektron-positron-par.

Diagram, der viser, hvordan næsten-ulykken af ​​guldioner producerer fotonkollisioner. (Brookhaven Lab)

Det er fordi fotonerne produceret af den elektromagnetiske interaktion er virtuelle fotoner, dukker kortvarigt ind og ud af eksistensen og uden den samme masse som deres 'rigtige' modstykker.

For at være en ægte Breit-Wheeler-proces skal to rigtige fotoner kollidere - ikke to virtuelle fotoner, heller ikke en virtuel og en rigtig foton.

Ved ionernes relativistiske hastigheder kan de virtuelle partikler opføre sig som rigtige fotoner. Heldigvis er der en måde, fysikere kan se, hvilke elektron-positron-par, der genereres af Breit-Wheeler-processen: vinklerne mellem elektronen og positronen i parret, der genereres af kollisionen.

Hver type kollision - virtuel-virtuel, virtuel-virkelig og virkelig-virkelig - kan identificeres baseret på vinklen mellem de to producerede partikler. Så forskerne opdagede og analyserede vinklerne på over 6.000 elektron-positron-par genereret under deres eksperiment.

De fandt ud af, at vinklerne var i overensstemmelse med kollisioner mellem rigtige fotoner - Breit-Wheeler-processen i aktion.

'Vi målte også al systemernes energi, massefordelinger og kvantetal. De er i overensstemmelse med teoriberegninger for, hvad der ville ske med rigtige fotoner,' sagde fysiker Daniel Brandenburg fra Brookhaven Lab.

'Vores resultater giver klare beviser for direkte, et-trins skabelse af stof- antistof par fra kollisioner af lys som oprindeligt forudsagt af Breit og Wheeler.'

Argumentet kunne med rimelighed fremføres, at vi ikke vil have en direkte første påvisning af den rene, enkelt foton-foton Breit-Wheeler proces, indtil vi kolliderer fotoner, der nærmer sig energien fra gammastråler.

Ikke desto mindre er holdets arbejde meget overbevisende - i det mindste viser det, at vi gøer op i det rigtige træ med Breit og Wheeler.

Vi vil fortsætte med at holde øje med dette rum.

Forskningen er publiceret i Fysiske anmeldelsesbreve .

Populære Kategorier: Mening , Sundhed , Natur , Fysik , Plads , Tech , Miljø , Ukategoriseret , Mennesker , Samfund ,

Om Os

Offentliggørelse Af Uafhængige, Beviste Fakta Om Rapporter Om Sundhed, Rum, Natur, Teknologi Og Miljøet.