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.
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.
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.