Физики обнаружили доказательства рождения материи в результате столкновений фотонов

Это называется процессом Брейта-Уиллера, впервые изложенным теоретически Грегори Брейтом и Джоном А. Уилером в 1934 году, и есть очень веские основания полагать, что это сработает. Проблема, однако, в том, что никто не наблюдал чего-либо подобного ни в природе, ни в эксперименте, а, между тем, многие нюансы такого процесса вызывают вопросы.

Прямое наблюдение такого явления в лабораторных условиях пока недостижимо, главным образом потому, что фотоны должны быть чрезвычайно высоких энергий, технологии для создания гамма-лазера пока нет.

Но теперь физики из Брукхейвенской национальной лаборатории нашли способ обойти эту трудность, используя релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), что привело к прямому наблюдению за процессом Брейта-Уиллера в действии. Результаты их эксперимента опубликованы в Physical Review Letters.

Интересно, что ускорение тяжелых ионов, как альтернативу не существовавшим тогда ни в каком виде и диапазоне лазерам,  предложили в своей статье еще Брейт и Уиллер, обсуждая способы экспериментальной проверки своих выводов.

Процесс включает, как следует из названия коллайдера, ускорение ионов — атомных ядер, лишенных своих электронов, до релятивистских скоростей. Ядра имеют положительный заряд, и чем тяжелее элемент, и больше в нем протонов, тем сильнее может быть положительный заряд иона при высокой степени ионизации.

Команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов – и, как следствие, мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до высоких скоростей, они создают круговое магнитное поле, которое может быть столь же мощным, как перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут производить электромагнитные частицы или фотоны.

Итак, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, возникает пучок фотонов, окружающих ядро ​​золота, которые движутся вместе с ним, как облако.

На RHIC ионы ускоряются до релятивистских скоростей — тех, которые составляют значительный процент скорости света. В этом эксперименте ионы золота были ускорены до 99,995 процентов скорости света.

Здесь происходит требуемое явление: хотя два иона, летящих в разных направлениях, вероятнее всего просто не попадут друг в друга, их два облака фотонов смогут взаимодействовать и сталкиваться. Сами эти столкновения невозможно обнаружить, но возникающие в результате электрон-позитронные пары поддаются регистрации.

Но произведенные электромагнитным взаимодействием фотоны являются по большей части виртуальными: они остаются привязаны к процессу ускорения ионов, и лишь на короткое время появляются и исчезают. Лишь незначительная их часть, отбирая энергию коллайдера становится реальной и существует уже вне зависимости от электромагнитно ускорения ионов. Брейта-Уиллера предполагает столкновение двух реальных фотонов.

К счастью, физики могут определить, какие пары электрон-позитрон генерируются процессом Брейта-Уиллера по углу между электроном и позитроном в паре, образовавшейся в результате столкновения.

Каждый тип столкновения двух фотонов — виртуально-виртуальный, виртуально-реальный и реально-реальный — можно идентифицировать по углу между двумя производимыми частицами. Исследователи проанализировали углы более 6000 электронно-позитронных пар, образовавшихся в ходе их эксперимента и обнаружили среди них углы, соответствующие столкновениям между реальными фотонами — процессу Брейта-Уиллера в действии.

Эти результаты представляли собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар материя – антиматерия в результате столкновений фотонов света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер.

Что такое коллайдер и зачем он нужен

По материалам Science Alert

Читайте также:

Физики, возможно, открыли новый вид фундаментального взаимодействия

Почему во Вселенной так мало антиматерии? Кажется, у физиков есть ответ