Физики впервые получили материю из чистой энергии

Ученые, работающие на детекторе STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, сообщили о том, что им удалось получить убедительные доказательства двух физических явлений, предсказанных более 80 лет назад, — образование вещества непосредственно из света и того, что магнетизм может изгибать поляризованные фотоны в вакууме. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Детектор STAR — один из четырех экспериментов на коллайдере релятивистских ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

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 — прямое следствие 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 преобразовали световую энергию назад в материю непосредственно за один шаг.

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

"В своей статье Брейт и Уиллер отметили, что это практически невозможно сделать, — приводятся в пресс-релизе Брукхейвенской лаборатории слова одно из авторов исследования, физика Чжанбу Сю (Zhangbu Xu), члена коллаборации RHIC STAR. — Лазеров тогда еще не было. Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу — ускорение тяжелых ионов. И это именно то, что мы делаем в RHIC".

Ученые разогнали ионы золота до 99,995 процента скорости света в двух кольцах коллайдера.

"У нас есть два облака фотонов, движущихся в противоположных направлениях с достаточной энергией и интенсивностью, чтобы, когда два иона скользят мимо друг друга, не сталкиваясь, эти фотонные поля могли взаимодействовать", — объясняет Сю.

Физики STAR отслеживали взаимодействия и искали предсказанные электрон-позитронные пары. Но такие пары частиц могут быть созданы в том числе с помощью кратковременных состояний "виртуальных" фотонов. Чтобы отличить реальные фотоны от виртуальных, авторы анализировали закономерности углового распределения каждого электрона по отношению к его позитрону-партнеру. Эти паттерны распределения различаются для пар, образованных взаимодействием реальных и виртуальных фотонов.

"Мы также измерили энергию, массовое распределение и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами и подтверждают, что это могло произойти с реальными фотонами, — говорит еще один участник исследования, Дэниел Бранденбург (Daniel Brandenburg), научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории. — Наши результаты представляют собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар материя — антивещество в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер".

Еще в одном эксперименте ученые доказали, что поляризация влияет на взаимодействие света с магнитным полем в вакууме. Этот эффект, подобный тому, как зависящее от длины волны отклонение разделяет белый свет на радугу, был предсказан еще в 1936 году. Но в эксперименте явление поляризационно-зависимого отклонения света в вакууме наблюдали впервые.