Dovezi privind generarea de materie din interacţiunea fotonilor

Potrivit teoriei, dacă ciocniţi suficient de tare doi fotoni puteți genera materie: o pereche electron–pozitron, adică conversia radiaţiei electromagnetice în masă, conform teoriei relativității speciale a lui A. Einstein.

Acesta este procesul Breit-Wheeler, care a fost prezentat pentru prima dată de Gregory Breit și John A. Wheeler în 1934 și avem motive foarte bune să credem că este corect.

Observarea directă a acestui fenomen, care să implice doar doi fotoni, a rămas evazivă.

Motivul principal este că energia fotonilor trebuie să fie extrem de mare (radiaţie gama) și nu avem încă tehnologia necesară pentru a construi un astfel de laser.

Fizicienii de la Laboratorul Național Brookhaven au găsit o cale de a evita acest obstacol prin folosirea acceleratorului de ioni Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) cu scopul de a detecta procesul Breit-Wheeler.

„Breit și Wheeler au propus o alternativă: accelerarea ionilor grei. Alternativa lor este exact ceea ce facem la RHIC”, a declarat fizicianul Zhangbu Xu de la Brookhaven Lab.

Ce legătură este însă accelerarea ionilor grei şi coliziunile fotonilor?

Procesul implică, după cum sugerează și numele acceleratorului RHIC, accelerarea ionilor, adică a nucleelor atomice având o sarcină electrică pozitivă.

Cu cât elementul chimic este mai greu, cu atât are mai mulți protoni și cu atât este mai mare sarcina electrică pozitivă a ionului rezultat după ce atomul şi-a pierdut învelişul electronic.

Credit: sakkmesterke/iStock/Getty Images Plus

Cercetătorii au folosit ioni de aur, care conțin 79 de protoni şi au o sarcină electrică mare. Atunci când ionii de aur sunt accelerați la viteze foarte mari rezultă un câmp magnetic circular care poate fi la fel de intens precum câmpul electric perpendicular din accelerator. La intersecţia acestor câmpuri se generează particule ale radiaţiei electromagnetice sau fotoni.

„În concluzie, atunci când ionii se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii, există o mulţime de fotoni care înconjoară nucleul atomului de aur, călătorind cu acesta precum un nor”, ​​a explicat Xu.

La RHIC ionii sunt accelerați la viteze relativiste, adică la viteze care reprezintă un procent semnificativ din viteza luminii. În acest experiment, ionii de aur au fost accelerați până la 99,995% din viteza luminii.

Atunci se întâmplă magia. Când doi ioni trec unul pe lângă celălalt, cei doi „nori” ai lor de fotoni pot interacționa și se pot ciocni. Aceste coliziuni nu pot fi detectate, dar perechile electron-pozitron care rezultă pot fi observate.

Cu toate acestea, nu este suficient să detectăm doar perechea electron-pozitron.

Acest lucru se datorează faptului că fotonii produși de interacțiunea electromagnetică sunt fotoni virtuali, care apar şi dispar și care nu au aceeași masă ca omologii lor „reali”.

Diagramă care arată cum la trecere ionilor de aur unii pe lângă alţii se produc coliziuni ale fotonilor. Credit: Laboratorul Brookhaven.

Într-un proces Breit-Wheeler autentic trebuie să se ciocnească doi fotoni reali şi nu doi fotoni virtuali sau un foton virtual și unul real. Particulele virtuale se pot comporta ca niște fotoni reali la viteza relativistă a ionilor.

Din fericire, fizicienii pot stabili ce perechi electron-pozitron sunt generate de procesul Breit-Wheeler măsurând unghiurile dintre electron și pozitron din perechea electron-pozitron generată de coliziune.

Tipul coliziunii, virtual-virtual, virtual-real și real-real, poate fi identificat pe baza unghiului dintre cele două particule produse.

Cercetătorii au detectat și analizat unghiurile a peste 6.000 de perechi electron-pozitron generate în timpul experimentului şi au descoperit că acestea erau în concordanță cu coliziunile dintre fotoni reali, ceea ce înseamnă că au surprins procesul Breit-Wheeler în acțiune.

„Am măsurat, de asemenea, toată energia, distribuțiile de masă și numerele cuantice ale acestor sisteme. Ele sunt în concordanță cu calculele teoretice pentru ceea ce s-ar întâmpla în cazul unor fotoni reali.

Rezultatele noastre oferă dovezi clare privind generarea directă, într-un singur pas, a perechilor materie-antimaterie prin interacţiunea electromagnetică, așa cum au prezis inițial Breit și Wheeler”, a declarat fizicianul Daniel Brandenburg de la Brookhaven Lab.

Cercetarea a fost publicată în Physical Review Letters.

Traducere după Physicists Detect Strongest Evidence Yet of Matter Generated by Collisions of Light