Экспериментально доказано, что можно получить материю из энергии

Исследователи из коллаборации RHIC/STAR Брукхейвенской национальной лаборатории в США предоставили убедительное доказательство физического явления, предсказанного более 80 лет назад: свет может рождать электрон-позитронные пары.

Чтобы доказать этот факт, ученые в подробностях изучили более 6 000 пар электронов и позитронов, которые образовались в столкновении ионов золота на релятивистском ускорителе тяжелых ионов – коллайдере RHIC. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Достижение американских ученых состоит в демонстрации того, что пары электронов и позитронов (то есть частиц вещества и антивещества) могут рождаться в столкновении фотонов высокой энергии (частиц света). Это преобразование света в материю описывается знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc², которое утверждает, что энергия и материя (масса) эквивалентны.

То, что материя может превращаться в энергию, люди знают давно: Земля получает энергию от ядерных реакций, происходящих на Солнце, а жители планеты пользуются электричеством, генерируемым атомными электростанциями. Теперь ученые убедились, что реален и обратный процесс – можно прямо получать материю из энергии.

Такой удивительный результат был получен благодаря способности детектора STAR коллайдера RHIC измерять угловое распределение частиц, образующихся в скользящих столкновениях ионов золота.

Ускоритель RHIC разгоняет ионы золота почти до скорости света, они летят навстречу друг другу и сталкиваются не лоб в лоб, а как бы случайно задевая друг друга – скользя мимо друг друга. Отсюда термин скользящие столкновения. Физики же называют такие столкновения периферическими.

Гипотетическую возможность получать пары электронов и позитронов (антиэлектронов) из света впервые описали физики Грегори Брейт и Джон А. Уиллер в 1934 году. Но проверка их гипотезы в те годы была технически неосуществима.

"В своей статье Брейт и Уиллер показали, что это практически невозможно сделать, – рассказывает Чжанбу Сюй (Zhangbu Xu) из коллаборации RHIC/STAR. – Лазеров еще даже не существовало! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов. И их альтернатива – именно то, что мы делаем в RHIC".

Напомним, что ион – это ядро атома, "ободранное" от электронов. Ион золота (ядро из 79 протонов и 118 нейтронов) имеет внушительный положительный заряд. Ещё бы, ведь в нём целых 79 положительно заряженных протонов. Ускорение такого "заряженного" тяжелого иона почти до скорости света создает мощное кольцеобразное магнитное поле. Оно возникает вокруг мчащейся частицы, как вокруг провода, по которому бежит электрический ток.

"Если скорость [частицы] достаточно высока, сила кольцеобразного магнитного поля может быть сопоставима с напряженностью перпендикулярного электрического поля, – поясняет Сюй. – Так что, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, возникает пучок фотонов, окружающих ядро ​​золота и движущихся вместе с ним, как облако".

Вероятно, Сю имеет в виду, что комбинация магнитного и электрического полей порождает своего рода аналог фотонов, поясняет портал Phys.org.

В коллайдере RHIC ускоренные до огромной скорости ионы золота (99,995% скорости света) движутся в двух кольцах ускорителя навстречу друг другу. Они проскальзывают мимо друг друга в точке, где стоит детектор STAR. Вместе с пучками ионов встречаются друг с другом и сопровождающие их облака фотонов.

Физики STAR отслеживали взаимодействия двух встречных облаков фотонов и искали предсказанные физической теорией электрон-позитронные пары.

Однако подобные пары частиц могут быть порождены, согласно теории, многими процессами на коллайдере RHIC. В частности, физикам из США требовалось разобраться, порождались ли они реальными или "виртуальными" фотонами.

"Виртуальные" фотоны существуют короткое время – миллионные доли секунды. Они появляются на краткий миг, но тем не менее имеют массу. Реальные же фотоны живут долго и "летают" далеко. В этом мы можем убедиться своими собственными глазами, куда они попадают в виде света на сетчатку нашего зрительного органа.

Чтобы убедиться, что электрон-позитронные пары были порождены от реальных, а не "виртуальных" фотонов, физики из Брукхейвена должны были показать, что вклад "виртуальных" фотонов не влияет на результат эксперимента.

Для этого ученые STAR проанализировали характер углового распределения каждого электрона по отношению к его партнеру-позитрону. Дело в том, что угловое распределение пар, образованных реальными фотонами, отличается от углового распределения пар, рожденных "виртуальными" фотонами. В общем, работы у ученых было много.

"Мы также измерили все энергии, массовые распределения и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами взаимодействия реальных фотонов", – разъясняет Дэниел Бранденбург (Daniel Brandenburg) из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Создать электрон-позитронные пары (без успеха, впрочем) пытались и другие ученые в столкновениях сфокусированных лучей мощных лазеров. По мнению Бранденбурга, фотонам лазерных лучей пока не хватает энергии.

"Наши результаты четко свидетельствуют о прямом и непосредственном создании пар материя-антиматерия в столкновениях [квантов] света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер, – подчеркивает Бранденбург. – Благодаря высокоэнергетическому пучку тяжелых ионов RHIC, высокой чувствительности и точности детектора STAR мы можем анализировать все кинематические распределения с высокой статистической определенностью и установить, что данные эксперимента соответствуют столкновениям именно реальных фотонов".

Всего месяц назад о возможности получения электрон-позитронных пар в столкновениях тяжелых ионов в Дубне, на строящемся здесь коллайдере NICA, говорил академик Юрий Оганесян, "отец" химического элемента №118 – оганесона.

Коллайдер NICA Объединенного института ядерных исследований должен начать работу через два года. Он сможет ускорять еще более тяжелые ядра, чем RHIC, – ядра урана с 92 протонами "на борту".

Идея производить на коллайдере NICA электрон-позитронные пары так захватила президента РАН Александра Сергеева, что он предложил сочетать возможности коллайдера с мощными лазерными пучками и построить для этого в Дубне лазерный центр.

Так что, кто знает, может быть, следующая новость о рождении материи из энергии придет из подмосковной Дубны. Пока же мир досконально изучает достижение американских исследователей.

Ранее мы писали о том, как в столкновениях на БАК была открыта самая долгоживущая экзотическая частица, а также о том, что ускорить частицы до невероятных энергий поможет лазер и пузырьки водорода. Если вы ещё не слишком устали от физических выкладок, то можете также почитать о том, как "гигантские атомы" глотают другие атомы, чтобы сформировать новое состояние вещества.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".