Исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке (США) сумели впервые получить материю из чистого света, использовав для этого лабораторный коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC). Произведенные ими измерения полностью соответствуют предсказаниям Альберта Эйнштейна.
Статья исследователей ранее была опубликована в журнале Physical Review Letters, в коротко о нем рассказывает Live Science. Авторы работы пишут, что на открытие их вдохновило самое знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна: E = mc².
Как известно, у него всего три составляющих: E - полная энергия системы, m - масса, связанная с энергией через преобразовательный множитель, и c² - квадрат скорости света, обеспечивающий эквивалентность массы и энергии.
Из уравнения следует, что если столкнуть друг с другом два достаточно энергичных фотона или частицы света, то можно получить материю в форме электрона и позитрона - антивещества, противоположного ему.
Кстати, впервые этот процесс в 1934 году описал не сам Эйнштейн, а американские физики Грегори Брейт и Джон Уиллер, использовавшие уравнение Эйнштейна для изучения свойств света. Однако до последнего времени их труд оставался чистой теорией, так как экспериментально подтвердить его не удавалось.
Главной причиной этого было отсутствие технологий. Для получения материи из света сталкивающиеся фотоны должны представлять собой гамма-лучи очень высокой энергии. А это под силу только очень мощным лазерам, которых не существует и сегодня. Альтернативные эксперименты несколько раз показывали, что материя способна образовываться из нескольких фотонов, но никогда прежде этот эффект достоверно не был подтвержден.
В новом исследовании авторы заявляют, что им удалось достичь желаемого результата, причем для этого они использовали обходной путь. Отталкиваясь от уравнения Эйнштейна, они, вместо того, чтобы напрямую ускорять фотоны, ускорили два иона - атомные ядра, лишенные своих электронов.
Эти заряженные частицы движутся со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом они несут с собой электромагнитное поле, внутри которого находится сгусток, как говорят авторы работы, не совсем реальных, а скорее виртуальных фотонов, движущихся вместе с ионами как облака.
Виртуальные частицы, объяснят ученые, - это частицы, которые возникают на очень короткое время как возмущения в полях, существующих между реальными частицами. Они обладают массой в отличие от своих реально существующих двойников, и данный фактор стал решающим в ходе проведенных экспериментов.
Когда ионы на огромной скорости проносились друг мимо друга, два облака виртуальных фотонов двигались так же быстро, как если бы они были настоящими. При столкновении виртуальных частиц образовывалась реальная электрон-позитронная пара, что и удалось зафиксировать в эксперименте.
Для полноты исследования физики проверили, действительно ли полученные ими виртуальные фотоны ведут себя так же, как настоящие. Для этого были изучены более чем 6000 электронно-позитронных пар, образованных в ходе эксперимента. Анализ показал, что эти пары образовывались под теми же углами, что и вторичные продукты реальных частиц. Тем самым было доказано, что виртуальные и реальные частицы ведут себя абсолютно одинаково. Исследователи также измерили энергию и распределение массы систем.
"Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами", - заявил соавтор работы Даниэль Бранденбург.