Физики предложили эффективный способ создавать вещество из света

01 июня 2020 15:39

Петаваттные лазеры помогут учёным проникнуть в тайны рождения вещества из излучения. Фото Lawrence Livermore National Laboratory.

В распоряжении учёных есть лазерные установки мощностью в несколько петаватт. Этого хватит, чтобы получить вещество из излучения. Фото EPA.

Учёные предложили эффективный метод создания вещества из излучения. Он поможет изучить этот экзотический процесс, а также воссоздать в лаборатории первые минуты после Большого взрыва.

Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Applied.

Два фотона, столкнувшись друг с другом, могут превратиться в пару из частицы вещества и её античастицы (например, в электрон и позитрон). Это процесс, обратный аннигиляции, взаимному уничтожению частицы и античастицы с превращением их в фотоны.

Предполагается, что в первые минуты после Большого взрыва оба процесса шли массово. Но если аннигиляция давно изучена экспериментаторами, то воссоздать рождение вещества из излучения гораздо сложнее.

Чтобы два фотона имели ощутимую вероятность столкнуться, поток излучения должен быть очень плотным. Кроме того, фотоны должны иметь огромную энергию, чтобы её хватило на создание материи. Ведь согласно знаменитой формуле E = mc2 на создание одного грамма вещества нужно порядка ста триллионов джоулей энергии. Для сравнения: примерно такое количество энергии выделилось при атомной бомбардировке Хиросимы.

Тем не менее экспериментаторы воспроизвели рождение вещества в столкновении фотонов в 1997 году. Впрочем, этот процесс оказался неэффективным.

Есть и ещё один момент, который, к примеру, мешает смоделировать в лаборатории первые минуты после Большого взрыва: чтобы приобрести нужную энергию, фотоны сначала должны столкнуться с электронами.

В распоряжении учёных есть лазерные установки мощностью в несколько петаватт. Этого хватит, чтобы получить вещество из излучения.

Фото EPA.

Своё решение этих проблем предложила группа во главе с Алексеем Арефьевым (Alexey Arefiev) из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Учёные смоделировали куда более эффективный и похожий на происходившее в ранней Вселенной процесс. (Ожидается, что уже через год или два его можно будет осуществить экспериментально.)

Речь идёт об облучении мишени с помощью лазера мощностью в несколько петаватт (1015 ватт). Поскольку такой луч очень тонкий, на квадратный сантиметр будет приходиться мощность порядка 1022 ватт (!). В результате вещество мишени, конечно, испарится, превратившись в ионизированный газ (плазму). Зато электроны этой плазмы приобретут огромную энергию.

Однако также возникнет мощнейшее магнитное поле, сравнимое с полями нейтронных звёзд. Электроны испарившегося вещества мишени будут тормозиться в этом поле, и их огромная энергия будет расходоваться на испускание гамма-фотонов. Сталкиваясь друг с другом или с тепловым излучением плазмы, эти фотоны будут порождать вещество.

Весь процесс займёт около ста фемтосекунд, то есть одну десятитриллионную долю секунды. При этом будут созданы десятки или даже сотни тысяч позитрон-электронных пар. С приходом следующего лазерного импульса весь процесс повторится снова.

"Наши результаты позволят учёным впервые исследовать один из фундаментальных процессов во Вселенной", – утверждает Арефьев.

В распоряжении человечества уже есть лазеры, которые позволяют провести подобный эксперимент, так что авторы ожидают увидеть экспериментальную проверку своей концепции в ближайшую пару лет.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как в лаборатории воспроизвели первые микросекунды после Большого взрыва. Также мы писали о том, почему вещество и антивещество сразу же не уничтожили друг друга.