«Мы живем на ничем не примечательной планете, которая вращается вокруг ничем не примечательной звезды. Но у нас есть шанс познать Вселенную», – так говорил один из величайших ученых нашего времени, британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Прекрасные слова, правда? Вселенная и мир, который нас окружает, удивительны.
Атомы, которые зародились в ядрах сверхновых звезд теперь составляют нас самих и все живое на Земле. Но наше понимание Вселенной, увы, мало назвать неполным – мы видим лишь малую ее часть с помощью наших лучших инструментов, а разгадать ее величайшие загадки по-прежнему не в силах.
Но, результаты нового исследования, кажется, могут изменить ситуацию. Авторы научной работы полагают, что материя во Вселенной создается путем столкновения фотонов.
Если достаточно сильно столкнуть два фотона, то можно создать материю: электрон-позитронную пару, преобразование света в массу в соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна. Это явление называется процессом Брейта-Уилера и впервые было изложено в 1934 году.
С помощью процесса Брейта-Уилера чистый свет потенциально можно преобразовать в материю.
Что такое процесс Брейта-Уилера?
Процессом Брейта-Уилера исследователи называют простейшую реакцию, с помощью которой свет можно превратить в вещество. В 1934 году Грегори Брейт и Джон А. Уилер разработали теорию процесса электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Полученные выводы ученые опубликовали в научном журнале Physical Review.
Однако, несмотря на удивительные выводы исследователей, они не предполагали реальной демонстрации процесса. Все потому, что в те годы способа придать фотону необходимую энергию попросту не существовало.
Хотя процесс является одним из проявлений эквивалентности массы и энергии, в 2014 году команда исследователей пришла к выводу, что процесс Брейта-Уилера никогда не наблюдался на практике из-за сложности фокусировки встречных гамма-лучей.
Свет можно преобразовать в материю. Кто бы мог подумать?
Это интересно: Что такое «темные фотоны» и почему физики снова начали их искать
Но прямое наблюдение чистого явления, включающего всего два фотона, оставалось неуловимым, главным образом потому, что фотоны должны быть чрезвычайно энергичными, а у ученых нет технологии для создания гамма-лазера.
Но физики из Брукхейвенской национальной лаборатории говорят, что нашли способ обойти этот камень преткновения с помощью релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) – он, в конечном итоге, позволил физикам наблюдать процесс Брейта-Уилера в действии.
Как фотоны преобразуются в материю?
Как следует из названия коллайдера, ускорение ионов – это ускорение атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (внутри ядра) имеют заряд положительный, в результате процесса Брейта-Уилера остается ядро с положительным зарядом. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.
В ходе исследования команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов, и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они генерируют круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут создавать электромагнитные частицы, или фотоны.
Диаграмма, показывающая, как близкое попадание ионов золота приводит к столкновениям фотонов. (Изображение предоставлено исследователями Брукхейвенской лаборатории)
Когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, ядро золота окружает пучок фотонов, которые движутся вместе с ним, как облако, – объясняют авторы научной работы.
В коллайдере RHIC ионы ускоряются до релятивистских скоростей – то есть тех, которые составляют значительный процент от скорости света.
В этом эксперименте ионы золота были ускорены до 99,995 процента скорости света.
Хотите всегда быть в куре последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Вот где происходит волшебство: когда два иона просто разминулись, два их облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения обнаружить невозможно, но возникающие в результате электрон-позитронные пары поддаются наблюдению. «Однако одного обнаружения электрон-позитронной пары недостаточно», – пишут авторы исследования.
Дело в том, что фотоны, образующиеся в результате электромагнитного взаимодействия, являются виртуальными фотонами, ненадолго появляющимися и исчезающими, и не имеют той же массы, что и их «реальные» аналоги. А для наблюдения процесса Брейта-Уилера должны столкнуться два реальных фотона, а не виртуальных.
Интересный факт Частицы материи и антиматерии – пары электронов и позитронов – можно создать, столкнув высокоэнергичные фотоны, представляющие собой квантовые «пакеты» света. Фотоны преобразуются в материю, и это – следствие формулы Эйнштейна E = mc², которая показывает взаимозаменяемость энергии и материи.
Процесс Брайта-Уилера
Но при релятивистских скоростях виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны.
К счастью, теперь физики могут определить, какие пары электрон-позитрон образуются в процессе Брейта-Уилера: они проанализировали 6000 пар электронов и позитронов, которые образовались в ходе столкновения ядер атомов золота на коллайдере (RHIC). Также физики измерили все распределения энергии, массы и квантовые числа систем.
Они согласуются с теоретическими расчетами того, что произойдет с реальными фотонами, – сказал физик Даниэль Бранденбург из Брукхейвенской лаборатории. Наши результаты дают четкие доказательства прямого одноэтапного создания пар материя-антиматерия в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уилер».
Что квантовая физика может рассказать о природе реальности?
Следует также отметить, что работа команды в высшей степени убедительна – по крайней мере, она показывает, что исследователи идут по правильному пути. Ну а пока они будут продолжать наблюдения за созданием материи, мы смело можем ожидать дальнейших и удивительных открытий.
Американские учёные превращают свет в материю
SLY_G 7 октября 2021 в 22:00 
В американской государственной лаборатории, расположенной на Лонг-Айленде, учёные творят материю из одного лишь света при помощи сложного ускорителя частиц. Это явление на нашей планете происходит впервые. Данный экспериментальный прорыв подтвердил предсказания, сделанные влиятельными физиками почти век назад, а также пролил новый свет на загадочные процессы, происходящие как на квантовых, так и на космических масштабах.
Преобразование фотонов, безмассовых частиц света, в электроны, элементарные частицы материи, произвела команда исследователей на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC. Теоретические предпосылки этой работы появились в начале XX века, но чтобы проверить их экспериментально, потребовалось серьёзным образом обустроить экспериментальное оборудование на RHIC – соленоидный трекер-детектор (STAR).
«Все звёзды сошлись так, что у нас всё получилось», — сказал Чжанбу Сюй, член коллаборации STAR и ведущий автор нового исследования. Лихуань Руан, ещё один член команды и помощник пресс-секретаря STAR, добавил, что кинематика эксперимента подобралась как раз такая, чтобы можно было осуществить это прорывное преобразование энергии в материю. Мечта о достижении этого эффекта родилась ещё в 1934 году, когда физики Григорий Альфредович Брейт-Шнайдер и Джон Уиллер предположили, что при столкновении фотонов могут появляться пары частиц материи-антиматерии, состоящие из электронов (отрицательно заряженных частиц) и позитронов (положительно заряженных двойников электронов, принадлежащих к антиматерии).
Вдохновлена эта идея, которую сегодня называют процессом Брейта — Уилера, была рассветом квантовой механики, благодаря которому стало понятно, что взаимодействие фотонов на квантовых уровнях не подчиняется законам классической механики. Также физики полагались на знаменитую эквивалентность массы и энергии Эйнштейна, которую можно записать, как E=mc2. Из неё следует, что масса и энергия – это просто две стороны одной медали.
При этом энергию превратить в материю куда как сложнее, чем материю в энергию. В 1930-х, вероятно, это казалось почти невозможным. Брейт и Уилер предположили, что с этим может справиться устройство, способное разгонять ионы – атомы, лишённые электронов. Однако подобных устройств в то время просто не было. «Это демонстрирует гениальность их идей – в начале 1930-х годов многих современных экспериментов просто ещё не существовало», — сказал Дэниел Бранденбург, ещё один член команды STAR. «Но в последнем параграфе своей работы они предсказали, как можно этого достичь, и именно описанный ими эксперимент мы, наконец, сумели реализовать». «Потрясающе, что они смогли не только правильно вывести результаты из теории, но и предсказать эксперимент, который стал возможным только спустя почти сто лет», — добавил он. Эксперимент, предложенный Брейтом и Уиллером, и успешно проведённый коллаборацией STAR, предполагает стрельбу тяжёлыми ионами (в данном случае – золота) друг в друга со скоростью 99,995% от световой. Большой положительный заряд и высокие скорости ионов создают круговые магнитные поля и облака фотонов, проходящих вместе с частицами через коллайдер. Когда ионы золота задевают друг друга, их гало световых частиц взаимодействуют и выдают пары частица-античастица, так давно предсказанные теоретиками. RHIC смог продемонстрировать процесс Брейта-Уилера, а детектор STAR был тем инструментом, который непосредственно уловил, измерил и подтвердил это достижение. Хотя этот результат и является следствием ста лет теоретических изысканий, однако исследователи STAR лишь недавно поняли, что их оборудование может помочь экспериментально подтвердить этот загадочный процесс превращения энергии в материю. «Всего несколько лет назад, в 2018 году, мы начали замечать кое-что интересное, однако не сразу поняли, что видим процесс Брейта-Уилера, — сказал Руан. – Мы увидели отличные результаты от тех, которые следует ожидать после столкновения тяжёлых ионов, но только когда Дэниел начал заниматься анализом данных с точностью, доступной оборудованию STAR, со всеми измерениями дифференциальной кинематики, мы смогли уверенно заявить: да, это действительно процесс Брейта-Уилера». Подтвердить такую старую теорию – это, конечно же, здорово само по себе. Однако в эксперименте был совершён ещё один важный прорыв: первая на Земле демонстрация такого явления, как вакуумное двулучепреломление. Эта концепция тоже имеет почти столетнюю историю. В 1936 году физики Ганс Генрих и Вернер Гейзенберг (тот самый, с принципом неопределённости) предсказали, что мощные магнитные поля способны поляризовать вакуум. Этот эффект должен странным образом влиять на путь света, проходящего через пустое пространство. Примерно 20 лет спустя физик Джон Толл развил эту идею, описав вакуумное двулучепреломление – то, как поляризация влияет на поглощение света магнитным полем в вакууме. 
Двулучепреломление можно наблюдать и в более знакомых материалах – к примеру, кристаллах. Иногда свет расщепляется и даёт двойное изображение. Такой же эффект наблюдается в экстремальных условиях космоса, к примеру, вблизи нейтронных звёзд – чрезвычайно плотных останков звёзд с очень сильными магнитными полями. И вот коллаборация STAR впервые зафиксировала вакуумное двулучепреломление на Земле. Это важное экспериментальное подтверждение одного из базовых принципов квантовой механики. «Это интересный эффект, поскольку у фотона нет заряда, поэтому с классической точки зрения магнитное поле на него влиять не должно, — пояснил Бранденбург. – Поэтому это явно доказывает фундаментальные аспекты квантовой механики. Фотон может испытывать постоянные флуктуации, превращаясь в пару электрон-позитрон, которая, в свою очередь, взаимодействует с магнитным полем. Именно это мы и измерили». «Настоящее открытие заключается в том, что это может произойти в вакууме космоса при наличии сильных магнитных полей, а теперь впервые мы смогли измерить эту волновую функцию фотона напрямую», — добавил он. От предыдущих экспериментов по превращению энергии в материю прорыв STAR отличает как раз двойная демонстрация процесса Брейта-Уилера и вакуумного двулучепреломления.
Во время своего значимого эксперимента в 1997 году национальная ускорительная лаборатория SLAC сталкивала лучи лазеров и электронные пучки, создавая из фотонов электрон-позитронные пары. Однако тот процесс не был измерен так точно, как это удалось STAR. Последний выдал неизвестные ранее детали, связанные, в частности, и с эффектом вакуумного двулучепреломления.
«Это первое экспериментальное измерение, по поводу которого мы можем сказать: да, мы реально наблюдали эти сверхсильные электрические и магнитные поля, пусть и очень кратковременно, — сказал Бранденбург. – В результате мы впервые смогли экспериментально показать эти сверхсильные магнитные поля – самые сильные во Вселенной. Других источников магнитных полей подобной силы во Вселенной нет». В недавнем эксперименте на Большом адронном коллайдере учёные превращали энергию в массу, сталкивая фотоны и получая W-бозоны – короткоживущую форму материи, управляющую слабым ядерным взаимодействием, одним из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Однако по сравнению с электронами, W-бозоны – чрезвычайно экзотическая форма материи, распадающаяся за малую долю секунды. И хотя это было знаковым достижением, тот эксперимент не стал демонстрацией процесса Брейта-Уилера. «Там два фотона сталкивались и порождали частицу с массой, но это явно не то, что предсказывали и вычислили Брейт и Уиллер, — сказал Сюй. – В их время не существовало концепции слабых взаимодействий или квантовой хромодинамики. Даже лазеры ещё не изобрели». В этом смысле эксперименты с БАК, SLAC и из Брукхейвена дополняют друг друга, подтверждая, что формула Эйнштейна работает в обе стороны, хотя создать массу из энергии гораздо сложнее, чем наоборот. Дополнительная демонстрация вакуумного двулучепреломления дала новую пищу для инноваций и идей, которая сможет пролить свет на экзотические процессы разных масштабов – от квантовых взаимодействий до расширения космоса.
К примеру, новые измерения могут помочь астрофизикам и космологам смоделировать создание электрон-позитронных пар из света, окружающего наиболее энергетически мощные объекты и события Вселенной, от сверхновых до чёрных дыр. Коллаборация STAR планирует продолжить эксперименты, попытавшись сделать первые двумерные изображения ядра атома с беспрецедентной детализацией.
Ученым удалось получить материю из света
Ученым из Имперского колледжа Лондона удалось получить материю из света
Идею предложили еще 80 лет назад, однако подтвердить ее опытным путем до настоящего времени было невозможно. С современными подходами группе ученых понадобился день в крошечной лаборатории за чашкой кофе, чтобы найти простое доказательство этой теории, над которой в 1934 году трудились физики Брейт и Уилер.
Брейт и Уилер нашли простейший способ превращения света в материю. Для этого нужно столкнуть два фотона (частицы света), за счет чего образуются электрон и позитрон. Такой способ существовал только на бумаге, а об испытании на практике не было и речи. В лабораториях такие опыты не проводились, поскольку для этого необходимы массивные частицы с большим запасом энергии.
Научный журнал Nature Photonics опубликовал статью о первом практическом испытании. В «фотонном коллайдере» свет преобразуется в материю по уже известной технологии с применением высокой энергии.
В рамках эксперимента формируются условия, которые существовали через 100 секунд после появления Вселенной.
Эти условия также наблюдаются при взрыве гамма-частиц – огромном взрыве во Вселенной, который до сих пор остается тайной для ученых.
Ученые, изучавшие термоядерную энергию, применили свои знания для теории Брейта-Уилера. Благодаря совместной работе с физиком-теоретиком из Института Макса Планка, они добились успеха.
Теоретическое описание взаимодействия материи и света. Изображение Oliver Pike с сайта imperial.ac.uk
Революционный эксперимент
Опыт, основанный на идеях Брейта-Уилера, поставит точку в теории о простейших способах взаимодействия света и материи. Шесть других теорий, включая теорию Дирака об аннигиляции электронов и позитронов (1930 года) и теорию Эйнштейна о фотоэффекте (1905 года), могут участвовать в номинации на Нобелевскую премию.
Стив Роуз, профессор с кафедры физики Имперского колледжа Лондона, сообщил: «Все ученые согласны с этой теорией. Однако ее авторы Брейт и Уилер не могли даже предположить возможность ее проверки на практике.
Сегодня, 80 лет спустя, нам это удалось! Самое удивительное то, что открытие позволяет создавать материю прямо из света по технологии, доступной на сегодняшний день в Великобритании.
Мы изучаем теорию и обсуждаем возможность проведения этого замечательного эксперимента по нашим разработкам».
Эксперимент с применением коллайдера состоит из двух ключевых этапов. Во-первых, понадобится очень мощный интенсивный лазер для ускорения электронов до скорости, близкой к скорости света. Затем эти электроны будут бомбардировать золотую плитку, чтобы образовался пучок фотонов с энергией в миллиард раз большей, чем энергия видимого света.
Для следующего этапа понадобится крошечный золотой сосуд, который называется «холраум» (в переводе с немецкого «пустая комната»). Вовнутрь этого сосуда направляется мощный лазер. При этом выделяется тепловое излучение и образуется свечение, напоминающее звездный свет.
Затем пучок фотонов, полученных на первом этапе эксперимента, направляется в центр сосуда. После столкновения фотонов от двух источников образуются электроны и позитроны. Обнаружить электроны и позитроны можно на выходе из сосуда.
Ведущий специалист Оливер Пайк, который в настоящее время получает степень доктора наук в области физических свойств плазмы, сообщил: «Суть теории проста, однако проверить ее на практике очень сложно.
Мы очень быстро разработали идею с применением коллайдера, и наш эксперимент можно провести относительно легко на основе существующих технологий. Несколько часов поиска нетрадиционного применения «холраумов» дали свои результаты.
Мы с удивлением обнаружили, что они отлично подходят для строительства фотонного коллайдера. Гонка по проведению и завершению эксперимента началась!»
Знаменитое уравнение Эйнштейна помогло ученым создать материю из света
Американские ученые, представляющие Брукхейвенскую национальную лабораторию в Нью-Йорке, впервые получили материю из света, применив для этого лабораторный коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC). Измерения, которые ученые произвели в процессе опыта, в полной мере соответствовали теоретическим предсказаниям Альберта Эйнштейна.
Как пишет Live Science, ссылаясь на Physical Review Letters, физики вдохновлялись знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc².
Уравнение состоит из трех элементов: E — это полная энергия системы, m — масса (она связана с энергией через преобразовательный множитель), и c² — квадрат скорости света (он обеспечивает эквивалентность энергии и массы).
Из уравнения следует, что материя в виде электрона и позитрона должна рождаться при столкновении двух фотонов света с достаточной энергией.
Эйнштейн теоретически предсказал это еще в 1934 году, но до сих пор у науки не было реальной возможности подтвердить, что из света можно получать материю. Все дело в том, что для получения позитронов и электронов из фотонов нужны гамма-лучи очень высоких энергий — требуются мощные лазеры, которые до сих пор не созданы.
Ученые, однако, нашли обходной путь. Вместо того, чтобы ускорять фотоны, ученые ускорили ионы (ядра атомов без электронов). Ионы несут с собой ЭМ-поле, внутри которого есть сгусток «виртуальных» фотонов. Такие частицы возникают на короткое время в виде возмущения в ЭМ-полях.
Главное за сутки
Кто станет следующим президентом Америки Джо Байден «слишком плох» во всех смыслах, чтобы претендовать на переизбрание президентом в 2024-м. Круг его потенциальных сменщиков уже очерчен, явные фавориты определены. Кто имеет наилучшие шансы стать лидером Америки,… Российский газ заставил Латвию нарушить свои обещания «Мы больше не собираемся покупать» российский газ, заявляли руководители Латвии еще недавно. И вдруг внезапно выяснилось, что эти закупки начались вновь. Почему эта прибалтийская страна оказалась вынуждена отречься от своих…
Внешний вид древних корейцев удалось воссоздать по их ДНК Международная исследовательская группа, которую возглавили сотрудники Венского университета (Австрия), секвенировала геномы 8 корейцев, живших 1700 лет назад. Научная работа позволила воссоздать внешний вид древних корейцев, которые жили в период Троецарствия.… Ученые создали саранчу-киборга, способную чувствовать запах рака Американские ученые, представляющие Мичиганский университет, описали новый метод диагностики рака ротовой полости. Как пишет портал bioRXiv, ученые создали саранчу-киборга, которая может чувствовать запах рака. Выяснилось, что мозг саранчи по-разному воспринимает…
Опрос
Анекдот дня
У тех, кто хочет изменить мир, просто нет удобного дивана.
Еще »
Учёные показали возможность создания материи из света, описанную в знаменитом уравнении Эйнштейна
Если спросить у случайного прохожего, какое уравнение, по его мнению, является самым известным, уверен, что люди разделятся на два лагеря. Один из них, не самый многочисленный, будет состоять из тех, кто скажет про уравнение Дрейка — формулу, предназначенную для определения числа внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми у человечества есть шанс вступить в контакт. Правда, не все, скорее всего, воспроизведут это уравнение, но мы же про популярность говорим.
https://www.youtube.com/watch?v=V8y0snnrMLQ\u0026t=57s
Наиболее же число «опрошенных», как мне кажется, скажут про уравнение Альберта Эйнштейна E = mc^2. Вот тут уже большинство даже сможет объяснить его суть: эквивалентность массы и энергии. Если проговорить его словами, то энергия равна массе умноженной на квадрат скорости света в вакууме.
У этого уравнения есть очень интересное следствие, описанное ещё в 1934 году, которое гласит, что при столкновении двух фотонов, обладающих достаточно большой энергией, могут быть созданы материя и антиматерия в виде электрона и его антипода — позитрона.
Правда, провести такой эксперимент невозможно, так как требуется гамма-излучение сверхвысокой энергии — это гамма-излучение с энергией фотонов выше 100 ТэВ. Мы пока не умеем генерировать такую энергию.
Учёные нашли обходной путь
Вместо фотонов они разогнали два иона — это атомные ядра, которые лишены электронов, но так как они движутся на скорости, близкой к скорости света, они обладают электромагнитным полем, внутри которого находится сгусток «виртуальных» фотонов.
Виртуальные частицы возникают на очень короткое время как возмущение в полях, существующих между реальными частицами. Анализ результатов столкновения ионов показал, что виртуальные частицы вели себя точно так, как предсказывает теория.
Этот эксперимент можно назвать потрясающим (мы в шаге от того, чтобы доказать, что материя может быть создана из света), хотя надо понимать, что, хоть виртуальные фотоны и повели себя как реальные, они таковыми не являются, а значит нельзя говорить о полноценной демонстрации теории. Это можно будет сделать только когда мы сможем генерировать огромное количество энергии, но к тому моменту, как мне кажется, перед нами будут стоять ещё более интересные задачи.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Подписывайтесь на S&F, канал в Telegram и чат для дискуссий на научные темы.
Экспериментально доказано, что можно получить материю из энергии
Ученые из Брукхейвена экспериментально подтвердили возможность рождения светом электрон-позитронных пар – частиц материи и антиматерии.
Исследователи из коллаборации RHIC/STAR Брукхейвенской национальной лаборатории в США предоставили убедительное доказательство физического явления, предсказанного более 80 лет назад: свет может рождать электрон-позитронные пары.
Чтобы доказать этот факт, ученые в подробностях изучили более 6 000 пар электронов и позитронов, которые образовались в столкновении ионов золота на релятивистском ускорителе тяжелых ионов – коллайдере RHIC. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Достижение американских ученых состоит в демонстрации того, что пары электронов и позитронов (то есть частиц вещества и антивещества) могут рождаться в столкновении фотонов высокой энергии (частиц света). Это преобразование света в материю описывается знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc2, которое утверждает, что энергия и материя (масса) эквивалентны.
То, что материя может превращаться в энергию, люди знают давно: Земля получает энергию от ядерных реакций, происходящих на Солнце, а жители планеты пользуются электричеством, генерируемым атомными электростанциями. Теперь ученые убедились, что реален и обратный процесс – можно прямо получать материю из энергии.
Такой удивительный результат был получен благодаря способности детектора STAR коллайдера RHIC измерять угловое распределение частиц, образующихся в скользящих столкновениях ионов золота.
Ускоритель RHIC разгоняет ионы золота почти до скорости света, они летят навстречу друг другу и сталкиваются не лоб в лоб, а как бы случайно задевая друг друга – скользя мимо друг друга. Отсюда термин скользящие столкновения. Физики же называют такие столкновения периферическими.
Гипотетическую возможность получать пары электронов и позитронов (антиэлектронов) из света впервые описали физики Грегори Брейт и Джон А. Уиллер в 1934 году. Но проверка их гипотезы в те годы была технически неосуществима.
«В своей статье Брейт и Уиллер показали, что это практически невозможно сделать, – рассказывает Чжанбу Сюй (Zhangbu Xu) из коллаборации RHIC/STAR. – Лазеров еще даже не существовало! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов. И их альтернатива – именно то, что мы делаем в RHIC».
Напомним, что ион – это ядро атома, «ободранное» от электронов. Ион золота (ядро из 79 протонов и 118 нейтронов) имеет внушительный положительный заряд.
Ещё бы, ведь в нём целых 79 положительно заряженных протонов. Ускорение такого «заряженного» тяжелого иона почти до скорости света создает мощное кольцеобразное магнитное поле.
Оно возникает вокруг мчащейся частицы, как вокруг провода, по которому бежит электрический ток.
«Если скорость [частицы] достаточно высока, сила кольцеобразного магнитного поля может быть сопоставима с напряженностью перпендикулярного электрического поля, – поясняет Сюй. – Так что, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, возникает пучок фотонов, окружающих ядро золота и движущихся вместе с ним, как облако».
Вероятно, Сю имеет в виду, что комбинация магнитного и электрического полей порождает своего рода аналог фотонов, поясняет портал Phys.org.
В коллайдере RHIC ускоренные до огромной скорости ионы золота (99,995% скорости света) движутся в двух кольцах ускорителя навстречу друг другу. Они проскальзывают мимо друг друга в точке, где стоит детектор STAR. Вместе с пучками ионов встречаются друг с другом и сопровождающие их облака фотонов.
Физики STAR отслеживали взаимодействия двух встречных облаков фотонов и искали предсказанные физической теорией электрон-позитронные пары.
Однако подобные пары частиц могут быть порождены, согласно теории, многими процессами на коллайдере RHIC. В частности, физикам из США требовалось разобраться, порождались ли они реальными или «виртуальными» фотонами.
«Виртуальные» фотоны существуют короткое время – миллионные доли секунды. Они появляются на краткий миг, но тем не менее имеют массу. Реальные же фотоны живут долго и «летают» далеко. В этом мы можем убедиться своими собственными глазами, куда они попадают в виде света на сетчатку нашего зрительного органа.
Чтобы убедиться, что электрон-позитронные пары были порождены от реальных, а не «виртуальных» фотонов, физики из Брукхейвена должны были показать, что вклад «виртуальных» фотонов не влияет на результат эксперимента.
Для этого ученые STAR проанализировали характер углового распределения каждого электрона по отношению к его партнеру-позитрону. Дело в том, что угловое распределение пар, образованных реальными фотонами, отличается от углового распределения пар, рожденных «виртуальными» фотонами. В общем, работы у ученых было много.
«Мы также измерили все энергии, массовые распределения и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами взаимодействия реальных фотонов», – разъясняет Дэниел Бранденбург (Daniel Brandenburg) из Брукхейвенской национальной лаборатории.
Создать электрон-позитронные пары (без успеха, впрочем) пытались и другие ученые в столкновениях сфокусированных лучей мощных лазеров. По мнению Бранденбурга, фотонам лазерных лучей пока не хватает энергии.
«Наши результаты четко свидетельствуют о прямом и непосредственном создании пар материя-антиматерия в столкновениях [квантов] света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер, – подчеркивает Бранденбург.
– Благодаря высокоэнергетическому пучку тяжелых ионов RHIC, высокой чувствительности и точности детектора STAR мы можем анализировать все кинематические распределения с высокой статистической определенностью и установить, что данные эксперимента соответствуют столкновениям именно реальных фотонов».
Всего месяц назад о возможности получения электрон-позитронных пар в столкновениях тяжелых ионов в Дубне, на строящемся здесь коллайдере NICA, говорил академик Юрий Оганесян, «отец» химического элемента №118 – оганесона.
Коллайдер NICA Объединенного института ядерных исследований должен начать работу через два года. Он сможет ускорять еще более тяжелые ядра, чем RHIC, – ядра урана с 92 протонами «на борту».
Идея производить на коллайдере NICA электрон-позитронные пары так захватила президента РАН Александра Сергеева, что он предложил сочетать возможности коллайдера с мощными лазерными пучками и построить для этого в Дубне лазерный центр.
Так что, кто знает, может быть, следующая новость о рождении материи из энергии придет из подмосковной Дубны. Пока же мир досконально изучает достижение американских исследователей.
Ранее мы писали о том, как в столкновениях на БАК была открыта самая долгоживущая экзотическая частица, а также о том, что ускорить частицы до невероятных энергий поможет лазер и пузырьки водорода. Если вы ещё не слишком устали от физических выкладок, то можете также почитать о том, как «гигантские атомы» глотают другие атомы, чтобы сформировать новое состояние вещества.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
Знаменитое уравнение Эйнштейна помогло создать материю из света — Российская газета
Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке (США) сумели впервые получить материю из чистого света, использовав для этого лабораторный коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC). Произведенные ими измерения полностью соответствуют предсказаниям Альберта Эйнштейна.
Статья исследователей ранее была опубликована в журнале Physical Review Letters, в коротко о нем рассказывает Live Science. Авторы работы пишут, что на открытие их вдохновило самое знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна: E = mc².
Как известно, у него всего три составляющих: E — полная энергия системы, m — масса, связанная с энергией через преобразовательный множитель, и c² — квадрат скорости света, обеспечивающий эквивалентность массы и энергии.
Из уравнения следует, что если столкнуть друг с другом два достаточно энергичных фотона или частицы света, то можно получить материю в форме электрона и позитрона — антивещества, противоположного ему.
Кстати, впервые этот процесс в 1934 году описал не сам Эйнштейн, а американские физики Грегори Брейт и Джон Уиллер, использовавшие уравнение Эйнштейна для изучения свойств света. Однако до последнего времени их труд оставался чистой теорией, так как экспериментально подтвердить его не удавалось.
Главной причиной этого было отсутствие технологий. Для получения материи из света сталкивающиеся фотоны должны представлять собой гамма-лучи очень высокой энергии.
А это под силу только очень мощным лазерам, которых не существует и сегодня.
Альтернативные эксперименты несколько раз показывали, что материя способна образовываться из нескольких фотонов, но никогда прежде этот эффект достоверно не был подтвержден.
В новом исследовании авторы заявляют, что им удалось достичь желаемого результата, причем для этого они использовали обходной путь. Отталкиваясь от уравнения Эйнштейна, они, вместо того, чтобы напрямую ускорять фотоны, ускорили два иона — атомные ядра, лишенные своих электронов.
Эти заряженные частицы движутся со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом они несут с собой электромагнитное поле, внутри которого находится сгусток, как говорят авторы работы, не совсем реальных, а скорее виртуальных фотонов, движущихся вместе с ионами как облака.
Виртуальные частицы, объяснят ученые, — это частицы, которые возникают на очень короткое время как возмущения в полях, существующих между реальными частицами. Они обладают массой в отличие от своих реально существующих двойников, и данный фактор стал решающим в ходе проведенных экспериментов.
Когда ионы на огромной скорости проносились друг мимо друга, два облака виртуальных фотонов двигались так же быстро, как если бы они были настоящими. При столкновении виртуальных частиц образовывалась реальная электрон-позитронная пара, что и удалось зафиксировать в эксперименте.
Для полноты исследования физики проверили, действительно ли полученные ими виртуальные фотоны ведут себя так же, как настоящие. Для этого были изучены более чем 6000 электронно-позитронных пар, образованных в ходе эксперимента.
Анализ показал, что эти пары образовывались под теми же углами, что и вторичные продукты реальных частиц. Тем самым было доказано, что виртуальные и реальные частицы ведут себя абсолютно одинаково.
Исследователи также измерили энергию и распределение массы систем.
«Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами», — заявил соавтор работы Даниэль Бранденбург.
Реальны или виртуальны фотоны, создающие материю?
Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории нашли доказательства столкновений, в которых частицы света создают материю и антивещество, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Physical Review Letters.
Столкните свет со светом, и вы получите материю и антивещество. Это звучит как простая идея, которую на удивление трудно доказать.
Группа физиков теперь заявляет о первом прямом наблюдении процесса Брейта-Уиллера, в котором две частицы света — фотоны — сталкиваются друг с другом и производят электрон и его аналог из антивещества — позитрон. Но значение обнаружения зависит от определения слова «реальный». Некоторые физики утверждают, что фотоны не считаются реальными, что ставит под сомнение последствия наблюдения.
Процесс Брейта-Уиллера, предсказанный более 80 лет назад, никогда не наблюдался напрямую, хотя ученые наблюдали связанные с ним процессы, такие как рассеяние света светом.
Новые измерения, полученные в результате эксперимента STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории, совпадают с предсказаниями неуловимого преобразования, сообщают физик из Брукхейвена Дэниел Бранденбург и его коллеги.
«Идея о том, что можно создать материю из столкновения света, — интересная концепция», — говорит Бранденбург. Это поразительная демонстрация физики, увековеченной в уравнении Эйнштейна E = mc2, которое показало, что энергия и масса — две стороны одной медали.
Правильность наблюдения зависит от того, считаются ли фотоны «реальными», как того требует процесс Брейта-Уиллера, или «виртуальными». В физике элементарных частиц виртуальные частицы — это частицы, которые появляются только на короткое время и не обладают своей нормальной массой.
Физики согласны с тем, что фотоны от обычного источника света, такого как лампочка или лазер, реальны. Но реальность фотонов Бранденбурга и его коллег вызывает споры. Это потому, что свет, с которым сталкивается команда, исходит из необычного источника.
В коллайдере релятивистских тяжелых ионов атомные ядра движутся почти со скоростью света, прежде чем врезаться друг в друга. Эти быстрые ядра окружены электромагнитными полями, и с этими полями связаны фотоны. Обычно такие фотоны электромагнитных полей виртуальны. Но в эксперименте фотоны действуют так, как будто они настоящие, из-за высоких скоростей, с которыми движутся два ядра.
Новое свидетельство процесса Брейта-Уиллера происходит от столкновений, при которых ядра просто не попадают друг в друга. В этих случаях электромагнитные поля двух ядер перекрываются, и два фотона из этих полей могут столкнуться. Таким образом, исследователи искали близкие к цели попадания, которые создают один электрон и один позитрон.
Но, как говорит соавтор исследования Чжанбу Сюй, физик из Брукхейвена в Аптоне (штат Нью-Йорк), «проблема в том, как определить: исходят ли частицы от столкновения реальных фотонов, или от других процессов».
Чтобы подтвердить тот факт, что частицы произошли от реальных фотонов, исследователи изучили углы между этими частицами, которые различаются в зависимости от столкновения реальных или виртуальных фотонов.
Углы соответствовали ожиданиям для реальных фотонов, предполагая, что команда наблюдала законный процесс Брейта-Уиллера.
Тем не менее, «строго говоря», говорит физик элементарных частиц Люсьен Харланд-Ланг из Оксфордского университета, эксперимент «удален на один шаг» от истинного процесса Брейта-Уиллера. Хотя фотоны ведут себя почти как реальные, технически они виртуальны.
Бранденбург и его коллеги придерживаются другой точки зрения, похожей на физическую версию классического теста с уткой: если существо ходит как утка и крякает, как утка, то, вероятно, это утка. Если реальность фотона основана только на его поведении, то это будут настоящие фотоны.
И измерения ученых подтверждают это, говорит физик лазерной плазмы Стюарт Манглес из Имперского колледжа Лондона, который не участвовал в новом исследовании: «Все, что они измеряют, указывает, что это настоящий фотон». Однако Манглес отмечает, что фотоны по-прежнему виртуальны по некоторым определениям: в отличие от обычных фотонов, которые не имеют массы, эти фотоны имеют массу.
Один из способов обойти острые вопросы об определении реальности — это провести этот эксперимент с бесспорно реальными фотонами.
Манглес и другие работают над обнаружением процесса Брейта-Уиллера с помощью лазеров, которые производят свет, столь же реальный, как и свет, позволяющий вам прочитать эту статью.
Это, как надеются физики, станет доказательством того, что сталкивающийся свет создает материю.
[ sciencenews.org]
Загрузка...
