Можливість перетворення частинок світла на атомні частинки припустили ще 80 років тому. Тоді практичну перевірку цієї інтригуючої гіпотези визнали неможливою. Але в останньому номері «Nature Photonics» британські фізики обґрунтували те, що, попри все, її можна зреалізувати. Експеримент передбачатиме створення спеціального фотонного колайдера; на його розробку знадобиться не більше 12 місяців.
Два етапи експерименту із фотонним колайдером: 1) високоінтенсивний лазер прискорить електрони майже до швидкості світла. Ними вистрелять у золоту пластину, щоб створити фотони з енергією, в мільярди разів більшою, ніж енергія видимого світла; 2) вистрелять високоенергетичним лазером по внутрішній поверхні золотої капсули, щоб створити теплове поле випромінювання. Раніше отримані фотони спроектують у центр капсули: фотони з двох джерел зіштовхнуться, формуючи електрони та позитрони. Факт утворення елементарних частинок зафіксують, коли ті покидатимуть капсулу.
Досягнення, яке здійснили фізики з Імперського коледжу Лондона, може стати знаковим в історії науки. Працюючи в фізичній лабораторії імені Блекетта, вчені окреслили схему експерименту, покликаного підтвердити одну з найпровокативніших гіпотез у квантовій електродинаміці: можливість створення матерії зі світла.
Вперше про неї заговорили американські фізики Брейт і Вілер у 1934 році. Згідно з їхньою теорією, зазначеного ефекту можна досягнути шляхом зіткнення двох світлових частинок (фотонів). У результаті такого зіткнення повинна виникнути пара з електрона та його античастинки – позитрона. Свої розрахунки вчені визнали теоретично обґрунтованими, проте висловили сумнів з приводу того, що коли-небудь їх вдасться перевірити на практиці. Як і передбачали, попередні експерименти в лабораторіях успіху не досягали.
Проте нове дослідження, опубліковане у «Nature Photonics», уперше за весь час пропонує реальний механізм перевірки теорії Брейта й Вілера. «Фотон-фотонний колайдер», що перетворюватиме світло на матерію з використанням вже існуючих технологій, буде для фізики високих енергій експериментом нового типу. Він відтворить процес, що відбувався впродовж перших 100 секунд існування Всесвіту. Такий самий процес відбувається і під час гамма-спалахів, які є найбільшими вибухами енергії в космосі і становлять одну з найвизначніших нерозгаданих таємниць у фізиці.
Відкриття зробили неочікувано. Науковці займались проблемами зі сфери енергії термоядерного синтезу, коли раптом зрозуміли: те, над чим вони працюють, можна застосувати до теорії Брейта-Вілера. Здійснити прорив британцям допоміг їхній німецький колега з Університету ядерної фізики імені Макса Планка, що саме відвідував Імперський коледж. На вирішення головоломки, яка стільки часу вважалася такою, що не підлягає розв'язанню, трьом вченим знадобився один день роботи й кілька філіжанок кави.
Демонстрація теорії Брейта-Вілера на практиці заповнить останню частину мозаїки взаємодії світла та матерії. Кожен з шести інших елементів мозаїки – включно з теорією Дірака 1930 року про електрон-позитронну анігіляцію та теорією Ейнштейна 1905 року про фотоефект – відзначений Нобелівською премією.
Експеримент із фотонним колайдером передбачає два ключових етапи. По-перше, вчені застосують надзвичайно потужний високоінтенсивний лазер для того, щоб прискорити електрони до швидкості, що трохи менша від швидкості світла. Цими електронами вистрелять у пластину з золота, щоб створити пучок фотонів із енергією в мільярди разів більшою, ніж енергія видимого світла.
Для наступного етапу експерименту буде потрібна крихітна золота капсула – хольраум (з німецької – «порожнина»). Науковці вистрелять високоенергетичним лазером по внутрішній поверхні золотої капсули, щоб створити теплове поле випромінювання. Утвориться світло, схоже до того, що випромінюють зірки.
Нарешті пучок фотонів, утворений на першій стадії експерименту, науковці спроектують у центр капсули: фотони з двох джерел зіштовхнуться, формуючи електрони та позитрони. Факт утворення елементарних частинок зафіксують, коли ті покидатимуть капсулу.
Олівер Парк, провідний науковець, який працює над дисертацією з фізики плазми, розповідає: «Незважаючи на те, що концептуально теорія є достатньо простою, експериментальним способом її було дуже складно підтвердити. Ідея з колайдером нам далася дуже швидко. Втілення задуманого на практиці не створить особливих складнощів та можливе з уже існуючим технологічним рівнем. Впродовж кількох годин ми вивчали можливості використання хольраумів поза їхньою традиційною сферою застосування у дослідженнях термоядерної енергії. І тут ми зі здивуванням виявили, що вони ідеально підходять для створення фотонного колайдера. Тепер настала черга змагань, хто швидше втілить експеримент у життя!»
Вчені сподіваються досягнути практичних результатів впродовж наступних 12 місяців. У світі існує низка дослідницьких центрів, яким це під силу. Одним з них є Лабораторія лазерної енергетики «Omega» у Рочестері (штат Нью-Йорк, США). Ще один кандидат на завершення експерименту – лазерний дослідницький комплекс «Orion» при Науково-дослідницькому центрі ядерної зброї в Олдемастоні (графство Беркшир, Велика Британія).
Зреферував Олег КАЧАН
Оригінал за посиланням http://phys.org
19.05.2014