Ученые, изучающие столкновения частиц на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) предоставили убедительные доказательства двух физических явлений, предсказанных более 80 лет назад. Результаты были получены из подробного анализа более 6000 пар электронов и позитронов, образовавшихся при столкновении скользящих частиц на RHIC, и опубликованы в Physical Review Letters.

Основное открытие состоит в том, что пары электронов и позитронов — частицы вещества и антивещества — могут быть созданы непосредственно путем столкновения очень энергичных фотонов, которые представляют собой квантовые "пакеты" света. Это преобразование энергичного света в материю является прямым следствием знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2, в котором говорится, что энергия и материя (или масса) взаимозаменяемы. Ядерные реакции на Солнце и на атомных электростанциях регулярно превращают вещество в энергию. Теперь ученые за один шаг преобразовали световую энергию непосредственно в материю.

Второй результат показывает, что путь света, проходящего через магнитное поле в вакууме, изгибается по-разному в зависимости от того, как этот свет поляризован. Такое зависящее от поляризации отклонение (известное как двойное лучепреломление) происходит, когда свет проходит через определенные материалы.

Источник: Brookhaven Natioinal Laboratory.
Детектор STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов измерял угловое распределение частиц, образующихся при скользящих столкновениях ионов золота.

Оба результата зависят от способности детектора RHIC STAR — Solenoid Tracker в RHIC — измерять угловое распределение частиц, образующихся при скользящих столкновениях ионов золота, движущихся почти со скоростью света. Таких возможностей не существовало, когда физики Грегори Брейт и Джон А. Уиллер впервые описали гипотетическую возможность столкновения легких частиц с образованием пар электронов и их аналогов из антивещества, известных как позитроны, в 1934 году.

Ион — это, по сути, голый атом, лишенный электронов. Ион золота с 79 протонами несет мощный положительный заряд. Ускорение такого заряженного тяжелого иона до очень высоких скоростей создает мощное магнитное поле, которое закручивается по спирали вокруг ускоряющейся частицы, когда она движется — подобно току, протекающему по проводу.

В RHIC ученые ускоряют ионы золота до 99,995% скорости света в двух кольцах ускорителей. Физики STAR отслеживали взаимодействия и искали предсказанные электрон-позитронные пары. Но такие пары частиц могут быть созданы с помощью ряда процессов в RHIC, в том числе с помощью "виртуальных" фотонов, состояния фотона, которое существует кратковременно и несет эффективную массу. Чтобы быть уверенным, что пары материя-антивещество исходят от реальных фотонов, ученые должны продемонстрировать, что вклад "виртуальных" фотонов не влияет на результат эксперимента.

Источник: Brookhaven Natioinal Laboratory.
Создание материи из света: два иона золота (Au) (красный) движутся в противоположном направлении со скоростью 99,995% от скорости света. Когда ионы проходят друг через друга, не сталкиваясь, два фотона из электромагнитного облака, окружающего ионы, могут взаимодействовать друг с другом, создавая пару материя-антивещество: электрон (e-) и позитрон (e +). 

Для этого ученые STAR проанализировали закономерности углового распределения каждого электрона относительно его позитрона-партнера. Эти паттерны различаются для пар, образованных взаимодействием реальных фотонов, и виртуальных фотонов. Дополнительно исследователи измерили всю энергию, массовое распределение и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами.

Другие ученые пытались создать электронно-позитронные пары из столкновений света с помощью мощных лазеров — сфокусированных лучей интенсивного света. Но отдельные фотоны в этих интенсивных лучах пока не имеют достаточной энергии.

Полученные результаты представляют собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар материя-антивещество в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер. Благодаря высокоэнергетическому пучку тяжелых ионов RHIC и большим приемочным и точным измерениям детектора STAR ученые могут анализировать все кинематические распределения с высокой статистикой, чтобы определить, что экспериментальные результаты действительно согласуются с реальными столкновениями фотонов.

 ← Читайте нас в Facebook