Исследователи в Брукхейвенской национальной лаборатории превращают свет в электроны, подтверждая теорию столетней давности
В американской государственной лаборатории, расположенной на Лонг-Айленде, учёные творят материю из одного лишь света при помощи сложного ускорителя частиц. Это явление на нашей планете происходит впервые.
Данный экспериментальный прорыв подтвердил предсказания, сделанные влиятельными физиками почти век назад, а также пролил новый свет на загадочные процессы, происходящие как на квантовых, так и на космических масштабах.
Преобразование фотонов, безмассовых частиц света, в электроны, элементарные частицы материи, произвела команда исследователей на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC. Теоретические предпосылки этой работы появились в начале XX века, но чтобы проверить их экспериментально, потребовалось серьёзным образом обустроить экспериментальное оборудование на RHIC – соленоидный трекер-детектор (STAR).
«Все звёзды сошлись так, что у нас всё получилось», — сказал Чжанбу Сюй, член коллаборации STAR и ведущий автор нового исследования. Лихуань Руан, ещё один член команды и помощник пресс-секретаря STAR, добавил, что кинематика эксперимента подобралась как раз такая, чтобы можно было осуществить это прорывное преобразование энергии в материю.
Мечта о достижении этого эффекта родилась ещё в 1934 году, когда физики Григорий Альфредович Брейт-Шнайдер и Джон Уиллер предположили, что при столкновении фотонов могут появляться пары частиц материи-антиматерии, состоящие из электронов (отрицательно заряженных частиц) и позитронов (положительно заряженных двойников электронов, принадлежащих к антиматерии).
Вдохновлена эта идея, которую сегодня называют процессом Брейта — Уилера, была рассветом квантовой механики, благодаря которому стало понятно, что взаимодействие фотонов на квантовых уровнях не подчиняется законам классической механики. Также физики полагались на знаменитую эквивалентность массы и энергии Эйнштейна, которую можно записать, как E=mc2. Из неё следует, что масса и энергия – это просто две стороны одной медали.
При этом энергию превратить в материю куда как сложнее, чем материю в энергию. В 1930-х, вероятно, это казалось почти невозможным. Брейт и Уилер предположили, что с этим может справиться устройство, способное разгонять ионы – атомы, лишённые электронов. Однако подобных устройств в то время просто не было.
«Это демонстрирует гениальность их идей – в начале 1930-х годов многих современных экспериментов просто ещё не существовало», — сказал Дэниел Бранденбург, ещё один член команды STAR. «Но в последнем параграфе своей работы они предсказали, как можно этого достичь, и именно описанный ими эксперимент мы, наконец, сумели реализовать».
«Потрясающе, что они смогли не только правильно вывести результаты из теории, но и предсказать эксперимент, который стал возможным только спустя почти сто лет», — добавил он.
Эксперимент, предложенный Брейтом и Уиллером, и успешно проведённый коллаборацией STAR, предполагает стрельбу тяжёлыми ионами (в данном случае – золота) друг в друга со скоростью 99,995% от световой. Большой положительный заряд и высокие скорости ионов создают круговые магнитные поля и облака фотонов, проходящих вместе с частицами через коллайдер.
Когда ионы золота задевают друг друга, их гало световых частиц взаимодействуют и выдают пары частица-античастица, так давно предсказанные теоретиками. RHIC смог продемонстрировать процесс Брейта-Уилера, а детектор STAR был тем инструментом, который непосредственно уловил, измерил и подтвердил это достижение.
Хотя этот результат и является следствием ста лет теоретических изысканий, однако исследователи STAR лишь недавно поняли, что их оборудование может помочь экспериментально подтвердить этот загадочный процесс превращения энергии в материю.
«Всего несколько лет назад, в 2018 году, мы начали замечать кое-что интересное, однако не сразу поняли, что видим процесс Брейта-Уилера, — сказал Руан. – Мы увидели отличные результаты от тех, которые следует ожидать после столкновения тяжёлых ионов, но только когда Дэниел начал заниматься анализом данных с точностью, доступной оборудованию STAR, со всеми измерениями дифференциальной кинематики, мы смогли уверенно заявить: да, это действительно процесс Брейта-Уилера».
Подтвердить такую старую теорию – это, конечно же, здорово само по себе. Однако в эксперименте был совершён ещё один важный прорыв: первая на Земле демонстрация такого явления, как вакуумное двулучепреломление. Эта концепция тоже имеет почти столетнюю историю.
В 1936 году физики Ганс Генрих и Вернер Гейзенберг (тот самый, с принципом неопределённости) предсказали, что мощные магнитные поля способны поляризовать вакуум. Этот эффект должен странным образом влиять на путь света, проходящего через пустое пространство. Примерно 20 лет спустя физик Джон Толл развил эту идею, описав вакуумное двулучепреломление – то, как поляризация влияет на поглощение света магнитным полем в вакууме.
Двулучепреломление можно наблюдать и в более знакомых материалах – к примеру, кристаллах. Иногда свет расщепляется и даёт двойное изображение. Такой же эффект наблюдается в экстремальных условиях космоса, к примеру, вблизи нейтронных звёзд – чрезвычайно плотных останков звёзд с очень сильными магнитными полями.
И вот коллаборация STAR впервые зафиксировала вакуумное двулучепреломление на Земле. Это важное экспериментальное подтверждение одного из базовых принципов квантовой механики.
«Это интересный эффект, поскольку у фотона нет заряда, поэтому с классической точки зрения магнитное поле на него влиять не должно, — пояснил Бранденбург. – Поэтому это явно доказывает фундаментальные аспекты квантовой механики. Фотон может испытывать постоянные флуктуации, превращаясь в пару электрон-позитрон, которая, в свою очередь, взаимодействует с магнитным полем. Именно это мы и измерили».
«Настоящее открытие заключается в том, что это может произойти в вакууме космоса при наличии сильных магнитных полей, а теперь впервые мы смогли измерить эту волновую функцию фотона напрямую», — добавил он.
От предыдущих экспериментов по превращению энергии в материю прорыв STAR отличает как раз двойная демонстрация процесса Брейта-Уилера и вакуумного двулучепреломления.
Во время своего значимого эксперимента в 1997 году национальная ускорительная лаборатория SLAC сталкивала лучи лазеров и электронные пучки, создавая из фотонов электрон-позитронные пары. Однако тот процесс не был измерен так точно, как это удалось STAR. Последний выдал неизвестные ранее детали, связанные, в частности, и с эффектом вакуумного двулучепреломления.
«Это первое экспериментальное измерение, по поводу которого мы можем сказать: да, мы реально наблюдали эти сверхсильные электрические и магнитные поля, пусть и очень кратковременно, — сказал Бранденбург. – В результате мы впервые смогли экспериментально показать эти сверхсильные магнитные поля – самые сильные во Вселенной. Других источников магнитных полей подобной силы во Вселенной нет».
В недавнем эксперименте на Большом адронном коллайдере учёные превращали энергию в массу, сталкивая фотоны и получая W-бозоны – короткоживущую форму материи, управляющую слабым ядерным взаимодействием, одним из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Однако по сравнению с электронами, W-бозоны – чрезвычайно экзотическая форма материи, распадающаяся за малую долю секунды. И хотя это было знаковым достижением, тот эксперимент не стал демонстрацией процесса Брейта-Уилера.
«Там два фотона сталкивались и порождали частицу с массой, но это явно не то, что предсказывали и вычислили Брейт и Уиллер, — сказал Сюй. – В их время не существовало концепции слабых взаимодействий или квантовой хромодинамики. Даже лазеры ещё не изобрели».
В этом смысле эксперименты с БАК, SLAC и из Брукхейвена дополняют друг друга, подтверждая, что формула Эйнштейна работает в обе стороны, хотя создать массу из энергии гораздо сложнее, чем наоборот. Дополнительная демонстрация вакуумного двулучепреломления дала новую пищу для инноваций и идей, которая сможет пролить свет на экзотические процессы разных масштабов – от квантовых взаимодействий до расширения космоса.
К примеру, новые измерения могут помочь астрофизикам и космологам смоделировать создание электрон-позитронных пар из света, окружающего наиболее энергетически мощные объекты и события Вселенной, от сверхновых до чёрных дыр. Коллаборация STAR планирует продолжить эксперименты, попытавшись сделать первые двумерные изображения ядра атома с беспрецедентной детализацией.
