Всесвіт і світ, що оточує нас, дивовижні. Атоми, які зародилися в ядрах наднових зірок, тепер складають нас самих і все живе на Землі. Але наше розуміння Всесвіту, на жаль, мало назвати неповним – ми бачимо лише малу її частину за допомогою наших найкращих інструментів, а розгадати її найбільші загадки, як і раніше, не в змозі.
Але результати нового дослідження, здається, можуть змінити ситуацію. Автори наукової роботи вважають, що матерія у Всесвіті створюється шляхом зіткнення фотонів. Якщо досить сильно зіштовхнути два фотони, то можна створити матерію: електрон-позитронну пару, перетворення світла в масу відповідно до спеціальної теорії відносності Ейнштейна. Це явище називається процесом Брейта-Уїлера і вперше було описано у 1934 році.
За допомогою процесу Брейта-Уїлера чисте світло потенційно можна перетворити на матерію.
Що таке процес Брейта-Уїлера?
Процесом Брейта-Уїлера дослідники називають найпростішу реакцію, за допомогою якої світло можна перетворити на речовину. У 1934 році Грегорі Брейт та Джон А. Вілер розробили теорію процесу електрон-позитронної пари при зіткненні двох фотонів. Отримані висновки вчені опублікували у науковому журналі Physical Review.
Однак, незважаючи на дивовижні висновки дослідників, вони не припускали реальної демонстрації процесу. Все тому, що в ті роки способу надати фотону необхідну енергію просто не існувало.
Хоча процес є одним із проявів еквівалентності маси та енергії, у 2014 році команда дослідників дійшла висновку, що процес Брейта-Уїлера ніколи не спостерігався на практиці через складність фокусування зустрічних гамма-променів.
Але пряме спостереження чистого явища, що включає всього два фотони, залишалося невловимим, головним чином тому, що фотони повинні бути надзвичайно енергійними, а вчені не мають технології для створення гамма-лазера. Але фізики з Брукхейвенської національної лабораторії кажуть, що знайшли спосіб обійти цей камінь спотикання за допомогою релятивістського колайдера важких іонів (RHIC) – він зрештою дозволив фізикам спостерігати процес Брейта-Уїлера в дії.
Як фотони перетворюються на матерію?
Як випливає з назви колайдера, прискорення іонів – це прискорення атомних ядер, позбавлених електронів. Оскільки електрони мають негативний заряд, а протони (всередині ядра) мають позитивний заряд, в результаті процесу Брейта-Вілера залишається ядро з позитивним зарядом. Чим важчий елемент, тим більше в ньому протонів і тим сильніший позитивний заряд іона, що утворюється.
У ході дослідження команда використала іони золота, які містять 79 протонів, та потужний заряд. Коли іони золота прискорюються до дуже високих швидкостей, вони генерують кругове магнітне поле, яке може бути таким потужним, як перпендикулярне електричне поле в колайдері. Там, де вони перетинаються, ці рівні поля можуть створювати електромагнітні частинки або фотони.
Діаграма показує, як близьке попадання іонів золота призводить до зіткнень фотонів. (Зображення надано дослідниками Брукхейвенської лабораторії)
Коли іони рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, ядро золота оточує пучок фотонів, які рухаються разом із ним, як хмара, – пояснюють автори наукової роботи. У колайдері RHIC іони прискорюються до релятивістських швидкостей – тобто тих, що становлять значний відсоток швидкості світла. У цьому експерименті іони золота були прискорені до 99,995 відсотка швидкості світла .
Ось де відбувається магія: коли два іони просто розминулися, дві їхні хмари фотонів можуть взаємодіяти і стикатися. Самі зіткнення виявити неможливо, але електрон-позитронні пари, що виникають в результаті, піддаються спостереженню. “Однак одного виявлення електрон-позитронної пари недостатньо”, – пишуть автори дослідження.
Справа в тому, що фотони, які утворюються в результаті електромагнітної взаємодії, є віртуальними фотонами, що ненадовго з’являються і зникають, і не мають тієї ж маси, що і їх “реальні” аналоги. А для спостереження процесу Брейта-Уїлера мають зіткнутися два реальні фотони, а не віртуальні.
Але при релятивістських швидкостях віртуальні частки можуть поводитись як справжні фотони. На щастя, тепер фізики можуть визначити, які пари електрон-позитрон утворюються в процесі Брейта-Уїлера: вони проаналізували 6000 пар електронів та позитронів, які утворилися під час зіткнення ядер атомів золота на колайдері (RHIC). Також фізики виміряли всі розподіли енергії, маси та квантові числа систем.
Вони узгоджуються з теоретичними розрахунками того, що станеться з реальними фотонами, – сказав фізик Даніель Бранденбург із Брукхейвенської лабораторії. Наші результати дають чіткі докази прямого одноетапного створення пар матерія-антиматерія внаслідок зіткнень світла, як спочатку пророкували Брейт та Вілер».
Слід також зазначити, що робота команди дуже переконлива – принаймні, вона показує, що дослідники йдуть правильним шляхом. Ну а поки вони продовжуватимуть спостереження за створенням матерії, ми сміливо можемо очікувати подальших та дивовижних відкриттів.