Согласно специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, если вам удастся столкнуть друг с другом два высокоэнергетических фотона, то из их энергии может возникнуть материя — пара электрон и позитрон. Этот процесс известен под названием процесса Брейта-Уилера, он был описан теоретически Грегори Брейтом и Джоном А. Уилером еще в 1934 году. Однако, экспериментальные подтверждения этого явления оставалось недостижимым вплоть до последнего времени главным образом из-за того, что фотоны должны быть очень высокоэнергетическими, их частота должна находится в диапазоне гамма излучения. А, как нам хорошо известно, у человечества еще нет таких технологий, позволяющих разработать и построить гамма-лазер.
Но недавно физики из Национальной лаборатории в Брукхейвене нахли путь обхода этого «камня преткновения» при помощи ускорителя RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Как следует из его названия, этот коллайдер разгоняет ионы, атомы, лишенные их электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, а у протонов в ядре атома имеется положительный заряд, то процесс «раздевания» атома оставляет после себя положительно заряженное ядро. И чем более тяжел химический элемент, тем больше протонов находится в его ядре и тем более сильный положительный заряд имеет получившийся ион.
В данном случае ученые использовали ионы золота, имеющие по 79 протонов. Когда такие ионы ускоряются до очень высоких скоростей, они производят магнитное поле, перпендикулярное по направлению к электрическому полю коллайдера. При прохождении участков с максимальной напряженностью полей, возникают частицы электромагнитного излучения — фотоны света. «Когда ионы перемещаются со скоростью, близкой к скорости света, возникает множество фотонов, окружающих ядро атома, которые перемещаются вместе с ним, словно облако» — пишут исследователи.
Ионы золота во время эксперимента были разогнаны до скорости в 99.995 процентов от скорости света. И «волшебство» начинало происходить, когда два движущиеся навстречу иона проходили очень близко друг от друга, их фотонные «облака» пересекались и отдельные фотоны сталкивались друг с другом. Сами столкновения фотонов пока не поддаются обнаружению, но порождаемые при этом пары электрон-позитрон вполне могут быть зарегистрированы.
Однако, и простого факта обнаружения возникновения пары электрон-позитрон еще недостаточно. Фотоны, порождаемые электромагнитными взаимодействиями, являются, как их называют ученые, виртуальными фотонами, которые существуют очень короткий промежуток времени и не имеют массы, как их нормальные собратья. Но для истинного процесса Брейта-Уилера требуется столкновение двух реальных протонов, а не двух виртуальных или одного реального и одного виртуального.
При движении на релятивистских скоростях некоторые виртуальные частицы могут вести себя, как реальные. И это является тем, что сделало данный эксперимент возможным. Более того, по углу разлета электрона и позитрона ученые могут с достаточной уверенностью сказать, в результате столкновений каких видов фотонов образовалась данная пара.
Исследователи проанализировали данные об 6 тысячах зарегистрированных во время эксперимента пар электрон-позитрон. И среди этих тысяч было найдено достаточное количество столкновений, углы которых соответствовали углам при столкновении реальных фотонов, что стало первой практической демонстрацией процесса Брейта-Уилера в действии.
«Также мы произвели измерения энергии, распределения масс и квантовых чисел этого процесса. Все эти измерения хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями того, что происходило бы в процессе с участием двух реальных фотонов» — пишут ученые, — «Все это является достаточным доказательством того, что во время столкновений фотонов могут образовываться пары вещество-антивещество, как и предсказывали в свое время Брейт и Уиллер».
Несмотря на полученные учеными из Брукхейвена результаты, эти результаты являются лишь косвенными. И для того, чтобы с совершенной полной уверенностью можно было подтвердить факт существования процесса Брейта-Уилера, нам придется подождать, пока мы не научимся генерировать и управлять единичными фотонами с энергией, приближающейся к энергии гамма-диапазона.
Материалы по теме:
Posted in 
Tags: 