Физики впервые создали материю из света

Знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна E = mc² гласит, что если вы столкнете два достаточно энергичных фотона или частицы света друг о друга, вы сможете создать материю в форме электрона и антивещества, противоположного ему, позитрона.

И как сообщает издание LiveScience, физики в своей потрясающей демонстрации одного из самых известных уравнений Эйнштейна заявляют, что впервые создали материю из чистого света.

Этот процесс, впервые описанный американскими физиками Грегори Брейтом и Джоном Уилером в 1934 году, долгое время был одним из самых трудных для наблюдения в физике — главным образом потому, что сталкивающиеся фотоны должны были быть высокоэнергетическими гамма-лучами, а ученые пока не могут создать гамма-лазеры.

Но исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке теперь считают, что нашли обходной путь. Используя лабораторный коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC), они смогли произвести измерения, которые полностью соответствуют предсказаниям для данного акта преобразования.

«В своей статье Брейт и Уиллер отметили, что это практически невозможно сделать», — отмечает Чжанбу Сю в заявлении. «Лазеров ещё не существует, но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов. И их альтернатива — это именно то, что мы делаем в RHIC».

Вместо того, чтобы напрямую ускорять фотоны, исследователи ускорили два иона — атомные ядра, лишенные своих электронов и, следовательно, положительно заряженные — в большой петле, прежде чем отправить их друг мимо друга в близком столкновении. Поскольку ионы являются заряженными частицами, движущимися очень близко к скорости света, они также несут с собой электромагнитное поле, внутри которого находится сгусток не совсем реальных «виртуальных» фотонов, движущихся вместе с [ионом] подобно облаку, пояснил Сюй.

Виртуальные частицы — это частицы, которые возникают на очень короткое время как возмущения в полях, существующих между реальными частицами. У них нет такой же массы, как у их реальных собратьев (в отличие от их реальных собратьев, которые не имеют массы, виртуальные фотоны имеют массу). В этом эксперименте, когда ионы проносились мимо друг друга в мгновение ока, их два облака виртуальных фотонов двигались так быстро, что действовали так, как если бы они были настоящими. Реально действующие виртуальные частицы столкнулись, в результате чего образовалась очень реальная электрон-позитронная пара, которую обнаружили учёные.

Чтобы убедиться в верности проведения эксперимента, физики должны были убедиться, что их виртуальные фотоны ведут себя как настоящие. Чтобы проверить поведение виртуальных фотонов, физики обнаружили и проанализировали углы между более чем 6000 электронно-позитронными парами, образованными в их эксперименте.

Когда две реальные частицы сталкиваются, вторичные продукты должны образовываться под другими углами, чем если бы они были созданы двумя виртуальными частицами. Но в этом эксперименте вторичные продукты виртуальных частиц отражались под теми же углами, что и вторичные продукты реальных частиц. Таким образом, исследователи смогли убедиться, что наблюдаемые ими частицы ведут себя так, как если бы они были созданы в результате реального взаимодействия. Они успешно продемонстрировали процесс Брейта-Уиллера.

Исследователи также измерили энергию и распределение массы систем. «Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами», — сказал в заявлении физик из Брукхейвена Даниэль Бранденбург.

Тем не менее, даже если кажется, что они ведут себя как настоящие частицы, виртуальные фотоны, использованные в эксперименте, несомненно, являются виртуальными. Это поднимает вопрос, был ли эксперимент истинной демонстрацией процесса Брейта-Уиллера. Но это всё же важный первый шаг, пока физики не разработают лазеры, достаточно мощные, чтобы показать процесс на реальных фотонах.