Ученые, работающие в Лаборатории физики Блэккетта в Имперском колледже Лондона, разработали эксперимент, который может стать знаковым моментом в истории науки. Они планируют проверить одну из самых изысканных гипотез в квантовой электродинамике: теорию того, что материя может быть создана из чистого света.
Основываясь на дискуссии, которая прошла в течение одного дня и нескольких чашек кофе, трое физиков решили, что их работа по термоядерной энергии также оставляет возможность в теории создать материю из света. Об этом еще 80 лет назад говорили физики Брейт и Уилер. В основе теории лежит идея того, что поскольку аннигиляция электрон-позитронных пар производит два или более фотонов, столкновение фотонов должно, в свою очередь, производить электрон-позитронные (или брейт-уилеровские) пары.
Ученые предлагают двухэтапный процесс. Сначала пучок высокоэнергетических электронов, разгоняющий электроны в вакууме почти до скорости света, будет обстреливать мишень из чистого золота толщиной в несколько миллиметров. В процессе так называемого тормозящего излучения высокоэнергетические электроны, бомбардирующие цель, будут терять кинетическую энергию, испуская фотоны гамма-лучей.
Затем магнитное поле в устройстве будет направлять этот поток фотонов в так называемый хольраум, или полость, стенки которой пребывают в радиационном равновесии с полостью. Одновременно с этим, при условии того, что любые вспомогательные электрон-позитронные пары, созданные в этой точке, будут разделяться магнитным полем, хольраум будет бомбардировать высокоэнергетический лазерный луч, эффективно превращающий хольраум в камеру теплового излучения черного тела. Когда пучок высокоэнергетических фотонов будет входить в полость, фотоны будут входить в сверхвозбужденное состояние, сталкиваться с высокоэнергетическими фотонами, генерируемыми лазером, и если все пойдет по плану, сотни тысяч брейт-уилеровских пар будут непрерывным потоком исходить из полости. В теории работа электронного пучка в 2 ГэВ и лазера хольраума в 400 эВ будет производить 100 000 электрон-позитронных пар.
Если этот эксперимент будет воплощен в жизнь, он не только будет представлять собой первую реализацию чистого фотон-фотонного коллайдера, но и метод достижения трансформации света в материю на уровне энергии, которая значительно ниже, чем требовалось по ранним предположениям. А без необходимости ускорителя массивных частиц, его легко провести в скромно оборудованной лаборатории.
Потенциал эксперимента весьма неплохой: это и простой способ изучить краеугольный камень квантовой электродинамики, и возможность прибавить знаний о процессах, происходивших в первые 100 секунд жизни нашей Вселенной.
Кроме того, проверка теории Брейта-Уилера может предоставить седьмую и последнюю теорию, описывающую самые простые способы взаимодействия света и материи.
Достижение может стать знаковым моментом в науке.
