Превращение света в материю: физики разработали эксперимент по реализации процесса Брейта-Уилера
Уравнение Эйнштейна E = mc2, которое устанавливает эквивалентность между энергией и массой, имеет важное значение для ядерной физики. Оно описывает, как при ядерном слиянии или делении атомов часть массы превращается в энергию. Однако обратный процесс — получение массы из энергии — также возможен, но требует очень высоких энергий. В частности, если столкнуть два фотона — элементарные частицы света — с энергией, превышающей пороговую, то можно получить пару электрон-позитрон. Электрон — это отрицательно заряженная частица, а позитрон — это ее античастица с положительным зарядом. Этот процесс называется процессом Брейта-Уилера, и он был теоретически предсказан в 1934 году, но до сих пор не был экспериментально реализован.
Недавнее исследование, проведенное учеными из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего, предлагает способ, как можно осуществить процесс Брейта-Уилера в лабораторных условиях с помощью лазеров высокой интенсивности. Исследователи использовали численные симуляции, чтобы исследовать различные сценарии столкновения фотонов и определить оптимальные параметры для получения электрон-позитронных пар. Их результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Основная идея исследования заключается в том, что два лазера высокой интенсивности могут создать плазму — ионизированный газ, который состоит из свободных электронов и ионов. Плазма может взаимодействовать с фотонами, отражая их и увеличивая их энергию. Если плазма имеет достаточно высокую плотность и температуру, то фотоны могут столкнуться друг с другом и превратиться в электрон-позитронные пары.
«Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и мы с нетерпением ждем его реализации в реальных условиях», — сказал Алексей Арефьев, физик из Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор статьи.
Экспериментальная установка возможна, по словам ученых, при интенсивностях лазера, которые существуют в настоящее время. Однако для того, чтобы построить такой коллайдер фотон-фотон, потребуется большое количество ресурсов и согласование между разными лабораториями и организациями.
«Это исследование показывает потенциальный способ исследовать тайны вселенной в лабораторных условиях», — сказал Вячеслав Лукин, директор программы в Национальном научном фонде, который поддержал недавнее исследование.
Процесс Брейта-Уилера является одним из фундаментальных процессов квантовой электродинамики, которая описывает взаимодействие света и заряженных частиц. Его экспериментальное подтверждение может дать новые знания о природе света и материи, а также о возможности создания новых источников энергии.
Кроме того, процесс Брейта-Уилера может происходить в космических условиях, где существуют очень высокие энергии и магнитные поля. Такие условия могут быть в ядрах нейтронных звезд — экстремально плотных объектов, которые образуются в результате коллапса ядер звезд. Нейтронные звезды могут вращаться с очень высокой скоростью, излучать гамма-лучи и иметь самые сильные магнитные поля во вселенной. Если нейтронная звезда вращается достаточно быстро, то она называется пульсаром. Пульсары могут быть местом, где фотоны сталкиваются друг с другом и превращаются в электрон-позитронные пары, а также где частицы темной материи могут аннигилировать с обычной материей и излучать фотоны. Пульсары также являются полезными инструментами для измерения гравитационных волн — малозаметных колебаний пространства-времени, которые возникают от движения массивных объектов.