В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, представлены доказательства создания материи и антиматерии из энергии, в частности легких частиц (фотонов). При этом оно предлагает великолепно конкретный пример самого известного в мире уравнения: E=mc2. Уравнение, выведенное Эйнштейном, диктует, как энергия (E) эквивалентна массе (m), умноженной на скорость света (c) в квадрате. В ходе исследования физики из Релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC), входящего в состав Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики, смогли превратить легкие частицы, которые являются энергией, в пары электронов и позитронов, которые являются материей (материя — это то, что имеет массу). Если быть точным, позитроны — это антиматерия, но антиматерия следует той же эквивалентности энергии и массы.
Исследователи смогли создать пары материя-антиматерия, используя пучки ионов золота. Они взяли атомы золота, удалили все их электроны, чтобы сделать их положительно заряженными ионами, а затем выстрелили ионами друг мимо друга с ультрарелятивистскими скоростями (99,995% скорости света, или примерно 186 000 миль в секунду). Ионы создают сильное магнитное поле, которое вращается вокруг них. Это магнитное поле взаимодействует с перпендикулярным электрическим полем, и пакеты результирующего электромагнитного поля представляют собой то, что мы называем фотонами, или светом. Когда ионы проходят через ускоритель частиц, они сопровождаются облаками этих фотонов.
Чжанбу Сюй, физик Брукхейвенской лаборатории и член коллаборации RHIC (Электромагнитный трекер в RHIC), описал установку эксперимента: “У нас есть два облака фотонов, движущихся в противоположных направлениях с достаточной энергией и интенсивностью, чтобы, когда два иона проходят мимо друг друга без столкновения, эти поля фотонов могли взаимодействовать…” Это взаимодействие и создает пары электронов и позитронов.
Хотя аналогичный результат был достигнут в 1997 году в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, процесс в то время был более сложным и включал больше этапов. Это открытие выделяется как “ясное доказательство прямого одношагового создания пар материя-антиматерия из столкновений света, как первоначально предсказывали [физики 20-го века Грегори] Брейт и [Джон А.] Уилер”, согласно Даниэлю Бранденбургу, сотруднику Goldhaber в Брукхейвенской лаборатории.
Исследование также подтверждает еще одно ранее теоретическое предсказание о взаимодействии поляризованных фотонов с пустыми космическими вакуум-ми. Физики 20-го века (в частности, Вернер Гейзенберг, Ганс Генрих Эйлер и Джон Толль) предсказали, что вакуум пустого пространства будет отклонять определенные поляризованные фотоны, если сам вакуум также будет поляризован. Это явление называется вакуумным двулучепреломлением и до сих пор не наблюдалось ни в одном эксперименте на Земле.
Подобно тому, как поляризованные солнцезащитные очки блокируют и поглощают определенный свет, проходящий через их линзы, вакуум плюс магнитное поле также блокирует и поглощает определенный свет. Этот свет и есть то, что затем превращается в электрон-позитронные пары. Исследователи смогли определить это соотношение, потому что “…угловое распределение [электрон-позитронных пар] зависит от угла поляризации света. Это указывает на то, что поглощение (или прохождение) света зависит от его поляризации…” как говорит Чи Ян, сотрудник STAR из Шаньдунского университета.
Это исследование дает более глубокое понимание вакуума, его взаимодействия со светом и взаимосвязи между энергией и материей. С помощью новой, мощной технологии мы можем подтвердить (или опровергнуть) предсказания прошлого и настоящего, медленно продолжая наше путешествие, чтобы понять и оценить Вселенную, которая составляет нас и все, что мы знаем.
