Изследване демонстрира един отдавна прогнозиран процес - генерирането на материя и антиматерия от чиста енергия директно от сблъсъци на светлина, освен това даде и доказателства, че магнетизмът може да пречупва поляризирани фотони по различни траектории във вакуум.

Учени, изучаващи сблъсъци на частици с колайдера за релативистични тежки йони RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) -  съоръжение на Министерството на енергетиката на САЩ за научни изследвания в областта на ядрената физика в Националната лаборатория "Брукхейвън" - са дали окончателни доказателства за два физически феномена, предсказани преди повече от 80 години. Резултатите са получени от подробен анализ на повече от 6000 двойки електрони и позитрони, произведени при сблъсъци на частици в RHIC и са публикувани в Physical Review Letters.

Основната констатация е, че двойки електрони и позитрони - частици материя и антиматерия - могат да бъдат създадени директно чрез сблъскване на високоенергийни фотони, които са квантови „пакети“ светлина. Това превръщане на високоенергийна светлина в материя е пряко следствие от известното уравнение E = mc 2 на Айнщайн, което гласи, че енергията и материята (или масата) са взаимозаменяеми. Ядрените реакции на Слънцето и в атомните електроцентрали редовно превръщат материята в енергия. Сега учените са превърнали светлинната енергия директно в материя в една стъпка.

Вторият резултат показва, че пътят на светлината, преминаващ през магнитно поле във вакуум, се пречупва различно в зависимост от това как е поляризирана тази светлина. Такова отклонение, зависимо от поляризацията (известно като двойно лъчепречупване), възниква, когато светлината преминава през определени материали. (Този ефект е подобен на начина, по който призма в зависимост от дължината на вълната пречупва и разделя бялата светлина на спектър с цветовете на дъгата.) Но това е първата демонстрация на зависимо от поляризацията пречупване на светлина във вакуум.

И двата резултата зависят от способността на детектора STAR на RHIC - соленоидния тракер в RHIC, да измерва ъгловото разпределение на частиците, произведени при сблъсъци на златни йони, движещи се със скоростта на светлината.

Сблъскващи се облаци от фотони

Такива възможности не са съществували, когато физиците Грегъри Брайт (Gregory Breit) и Джон А. Уилър (John A. Wheeler) за първи път описват хипотетичната възможност за сблъсък на светлинни частици, за да създадат двойки електрони и техните антиматериални аналози, известни като позитрони, през 1934 г.

„В своя доклад Брайт и Уилър знаеха, че това е почти невъзможно да се направи“, разказва физикът от лабораторията "Брукхейвън" Джанбу Сю (Zhangbu Xu), член на колаборацията STAR на RHIC. „Лазерите дори още не са съществували! Но Брайт и Уилър предлагат алтернатива: ускоряване на тежките йони. И тяхната алтернатива е точно това, което правим в RHIC”.

Йонът е по същество гол атом, лишен от своите електрони. Златен йон със 79 протона носи мощен положителен заряд. Ускоряването на такъв зареден тежък йон до много високи скорости генерира мощно магнитно поле, което се върти около ускоряващата се частица, докато се движи - подобно на ток, протичащ през проводник.

„Ако скоростта е достатъчно висока, силата на кръговото магнитно поле може да бъде равна на силата на перпендикулярното електрическо поле“, обяснява Сю. И това разположение на перпендикулярните електрически и магнитни полета с еднаква сила е точно това, което е фотонът - квантована „частица“ светлина. "Така че, когато йоните се движат близо до скоростта на светлината, има множество фотони, заобикалящи златното ядро, пътуващи с него като облак."

В RHIC учените ускоряват златните йони до 99,995% от скоростта на светлината в два ускорителни пръстена.

"Имаме два облака от фотони, движещи се в противоположни посоки с достатъчно енергия и интензивност, така че когато двата йона преминават един покрай друг, без да се сблъскат, тези фотонни полета могат да взаимодействат", продължава Сю.

Физиците на STAR проследяват взаимодействията и търсят предсказаните двойки електрон-позитрон.

Но такива двойки частици могат да бъдат създадени чрез редица процеси в RHIC, включително чрез „виртуални“ фотони, състояние на фотон, което съществува за кратко и носи ефективна маса. За да са сигурни, че двойките материя-антиматерия идват от реални фотони, учените трябва да докажат, че приносът на „виртуалните“ фотони не променя резултата от експеримента.

За да направят това, учените от STAR анализират моделите на ъглово разпределение на всеки електрон спрямо неговия партньор позитрон. Тези модели се различават за двойки, произведени от реални фотонни взаимодействия, в сравнение с виртуални фотони.

„Ние също така измервахме цялата енергия, разпределението на масата и квантовите числа на системите. Те са в съответствие с теоретичните изчисления за това, което би се случило с реални фотони “, разказва Даниел Бранденбург (Daniel Brandenburg), сътрудник  в лабораторията "Брукхейвън", който анализира данните на STAR за това откритие.

Други учени се опитват да създадат двойки електрон-позитрон от сблъсъци на светлина, използвайки мощни лазери-фокусирани лъчи на интензивна светлина. Но отделните фотони в тези интензивни лъчи все още нямат достатъчно енергия, коментира Бранденбург.

Един експеримент в Националната ускорителна лаборатория SLAC през 1997 г. успя, използвайки нелинеен процес. Учените първо трябваше да увеличат енергията на фотоните в един лазерен лъч, като го сблъскват с мощен електронен лъч. Сблъсъците на ускорените фотони с множество фотони едновременно в огромно електромагнитно поле, създадено от друг лазер, са произвели материя и антиматерия.

„Нашите резултати предоставят ясни доказателства за директно, едноетапно създаване на двойки материя-антиматерия от светлинни сблъсъци, както първоначално бе предсказано от Брайт и Уилър“, отбелязва Бранденбург. „Благодарение на високоенергийния лъч от тежки йони в RHIC и  и прецизността на детектора STAR, ние можем да анализираме всички кинематични разпределения с висока статистика, за да установим, че експерименталните резултати наистина са в съответствие с реалните фотонни сблъсъци".

Пречупване на светлина във вакуум

Способността на STAR да измерва малките пречупвания на електрони и позитрони, произведени почти едно след друго в тези събития, също даде на физиците начин да проучат как светлинните частици взаимодействат с мощните магнитни полета, генерирани от ускорените йони.

„Облакът от фотони, заобикалящ златните йони в един от лъчите на RHIC, стреля в силно кръгово магнитно поле, произведено от ускорените златни йони в другия лъч“, обяснява Чи Ян (Chi Yang), дългогодишен сътрудник на STAR от Университета Шандонг, който прекарва цялата си кариера изучавайки двойки електрон-позитрон, произведени от различни процеси в RHIC. "Разпределението на получените частици ни показва как поляризираната светлина взаимодейства с магнитното поле".

Вернер Хайзенберг и Ханс Хайнрих Ойлер през 1936 г. и Джон Тол през 50-те години предсказват, че вакуумът на празното пространство може да бъде поляризиран от мощно магнитно поле и че такъв поляризиран вакуум трябва да отклонява траекториите на фотоните в зависимост от поляризацията на фотоните. Тол в своята дисертация също подробно описва как поглъщането на светлина от магнитно поле зависи от поляризацията й и неговата връзка с показателя на пречупване на светлината във вакуум. Това зависимо от поляризацията отклонение или двойно лъчепречупване се наблюдава при много видове кристали. Наскоро бе съобщено и за наблюдение на светлината на неутронна звезда, пречупваща се по този начин, вероятно поради взаимодействието й с магнитното поле на звездата. Но нито един експеримент, базиран на Земята, не е открил двойно лъчепречупване във вакуум.

В RHIC учените измерват как поляризацията на светлината влияе дали светлината е „погълната“ от магнитното поле.

Това е подобно на начина, по който поляризираните слънчеви очила блокират преминаването на определени лъчи, ако те не съвпадат с поляризацията на лещите, обяснява Ян. В случая на слънчевите очила, освен че прониква по-малко светлина, може по принцип да се измери повишаване на температурата на материала на лещата, тъй като той абсорбира енергията на блокираната светлина. В RHIC абсорбираната светлинна енергия е това, което създава електрон-позитронните двойки.

„Когато разглеждаме продуктите, получени от фотон-фотонните взаимодействия в RHIC, виждаме, че ъгловото им разпределение зависи от ъгъла на поляризация на светлината. Това показва, че поглъщането (или преминаването) на светлината зависи от нейната поляризация“, обяснява Ян.

Това е първото експериментално наблюдение, базирано на Земята, което показва, че поляризацията влияе върху взаимодействията на светлината с магнитното поле във вакуума - вакуумното двойно лъчепречупване, предсказано през 1936 г.

„И двете открития се основават на прогнози, направени от някои от големите физици в началото на 20-ти век“, коментира Франк Гертс (Frank Geurts), професор в Университета Райс, чийто екип изгражда и управлява най-съвременните “Time-of-Flight” компоненти на детектора STAR, необходими за това измерване. "Те се основават на фундаментални измервания, станали възможни едва наскоро с технологиите и техниките за анализ, които сме разработили в RHIC."

Справка: “Measurement of e+e- Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions” by J. Adam et al. (STAR Collaboration), 27 July 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.052302

Източник: Scientists Generate Matter Directly From Light – Physics Phenomena Predicted More Than 80 Years Ago, Brookhaven National Laboratory