Przedstawienie futurystycznego akceleratora cząstek.
W fizyce cząstek elementarnych, zderzenia o dużej prędkości są zazwyczaj czymś dobrym. A kiedy dwa fotony zderzają się ze sobą z wystarczającą siłą, rezultatem jest materia, zgodnie z teorią względności Einsteina. Ten proces pozwoliłby uzyskać parę elektronowo-pozytonową, reprezentującą przemianę światła w masę, co wydawało się poza naszym zasięgiem. Ale nie na długo. Fizycy odkryli, że można tego dokonać w rzeczywistości, wykorzystując Zderzacz Relatywistycznego Ciężkich Jonów w Brookhaven National Laboratory, bezpośrednio obserwując tę reakcję, która nazywa się procesem Brieta-Wheelera, jak wynika z najnowszej pracy opublikowanej w czasopiśmie Physical Review Letters.
Jest to znaczące odkrycie, opierające się na teoretycznym murze, który jeszcze kilkadziesiąt lat temu wydawał się nie do pokonania.
Przyspieszanie jonów złota do prędkości bliskiej prędkości światła
„W swojej pracy Breit i Wheeler już zdawali sobie sprawę, że jest to prawie niemożliwe do wykonania” – wyjaśnił Zhangbu Xu, fizyk z Brookhaven Lab, o dwóch naukowcach, którzy początkowo opisali proces, we wpisie na blogu zamieszczonym na oficjalnej stronie Labu. „Lasery jeszcze nawet nie istniały! Ale Breit i Wheeler zaproponowali alternatywę: przyspieszanie ciężkich jonów. I ich alternatywa jest dokładnie tym, co robimy w RHIC”. Przyspieszanie jonów odnosi się do zwiększania prędkości jąder atomowych, które zostały pozbawione elektronów. Ponieważ te ostatnie mają ładunek ujemny, a pozostałe protony zawarte w jądrze atomu zachowują ładunek dodatni, sprawia to, że cięższe pierwiastki są wprost proporcjonalne do większego ładunku dodatniego, gdyż mają więcej protonów bez elektronów. Naukowcy z tego badania wykorzystali jony złota, które mają 79 protonów. Jest to ładunek tak silny, że po rozpędzeniu do absurdalnych prędkości jony złota wytwarzają koliste pole magnetyczne, które rywalizuje z prostopadłym polem elektrycznym w zderzaczu.
Kiedy te dwa pola się przecinają, mogą prowadzić do wytworzenia cząstek elektromagnetycznych, które są również nazywane fotonami. „Kiedy więc jony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, wokół złotego jądra pojawia się masa fotonów, które podróżują z nim jak chmura” – powiedział Xu we wpisie na blogu. RHIC przyspiesza jony do prędkości relatywistycznych, co oznacza znaczny ułamek prędkości światła. W ostatnim eksperymencie jony złota zostały rozpędzone do prędkości równej 99,995% prędkości światła. To jest bardzo, bardzo szybko.
https://youtu.be/FqVHthbdG8w
Fizycy wykryli kilka właściwości procesu Breita-Wheelera.
Gdy dwa jony ledwo się mijają, ich dwie chmury fotonów zaczynają oddziaływać, a nawet zderzać się. Te spotkania przebiegają bez wykrycia, ale wydajność reakcji, czyli pary elektron-pozyton, już tak. To jednak nie wystarcza, ponieważ fotony generowane w wyniku tego oddziaływania elektromagnetycznego mają jedynie wirtualną naturę – pojawiają się i znikają, nie mają mierzalnej, „prawdziwej” masy swoich fizycznych odpowiedników. Aby spełnić warunki pełnego procesu Breit-Wheelera, dwa „prawdziwe” fotony muszą się rozbić o inną prawdziwą parę fotonów. Na szczęście dla współczesnych fizyków istnieje techniczny sposób rozróżnienia pomiędzy wirtualnymi parami elektron-pozyton, a prawdziwym procesem Breita-Wheelera: kąty pomiędzy pozytonem i elektronem w parze powstałej w wyniku zderzenia z dużą prędkością.
Ponadto fizycy wykryli kilka różnych właściwości prawdziwych fotonów, w tym energię, rozkłady masy i liczby kwantowe układów, jak twierdzi Daniel Brandenburg, fizyk z Brookhaven Lab, we wpisie na blogu. „Nasze wyniki dostarczają jasnych dowodów na bezpośrednie, jednoetapowe tworzenie par materia-antymateria ze zderzeń światła, jak pierwotnie przewidywali Breit i Wheeler”. Jest to niezwykle przekonujące odkrycie, a kolejne wyzwanie polega na bezpośrednim wykryciu procesu pojedynczego fotonu-fotonu poprzez rozbijanie fotonów o energii promieni gamma.
