Команда, возглавляемая исследователями из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего, использовала моделирование, чтобы продемонстрировать, как материя может быть создана экспериментально с использованием только света, что в будущем может помочь проверить давние теории о составе Вселенной.Одно из самых удивительных предсказаний квантовой физики заключается в том, что материя может быть создана полностью из света или фотонов, и на самом деле, объекты, называемые пульсарами, достигли этого подвига. Непосредственное создание материи таким способом еще не было достигнуто в лаборатории, но это помогло бы в дальнейшем проверить фундаментальные теории квантовой физики и фундаментальную структуру Вселенной.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, исследовательская группа под руководством исследователей из Университета Осаки смоделировала условия фотонных столкновений, используя только лазеры. Благодаря простоте установки и простоте реализации при существующих мощностях лазера, ожидается, что эксперименты будут проведены в ближайшем будущем.
Теоретически столкновение фотонов является основным способом образования материи во Вселенной. Оно получено из знаменитого уравнения Эйнштейна E=mc². На самом деле исследователи создали материю из света косвенным путем: ускоряя ионы металлов, таких как золото, друг в друге на высоких скоростях. На таких высоких скоростях каждый ион окружен фотонами, которые при прохождении друг друга создают материю и антиматерию.
Однако в современных лабораториях производство материи с использованием только лазеров является сложной задачей, поскольку требуются лазеры чрезвычайно высокой мощности. Моделирование того, как этот подвиг достигается в лаборатории, может привести к экспериментальным прорывам, и именно это исследователи и намеревались сделать.
«Имитационные эксперименты показали, что плотная плазма может самоорганизовываться в фотонный коллайдер при взаимодействии с сильным электромагнитным полем лазера», — объясняет доктор Сугимото, первый автор исследования. «Этот коллайдер содержит плотный рой гамма-лучей с плотностью в десять раз большей, чем плотность электронов в плазме, и энергией, в миллион раз превышающей энергию фотонов в лазерах».
В результате столкновений фотонов в коллайдере образуются электрон-позитронные пары, а электрическое поле плазмы, создаваемое лазером, ускоряет позитроны. Это создает пучок позитронов.
«Это первое моделирование ускорения позитронов в результате линейного процесса Бретта-Веллера в релятивистских условиях», — сказал соавтор профессор Арефьев из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и с нетерпением ждем возможности реализовать его в реальном мире».
Доктор Вячеслав Лукин, директор программы Национального научного фонда, поддержавшей эту работу, сказал: «Это исследование демонстрирует потенциальный способ изучения загадок Вселенной в лабораторных условиях. Будущие возможности мощных лазерных установок сегодня и в будущем станут еще более захватывающими».
Применение этой работы к вымышленной технологии преобразования материи в энергию, представленной в «Звездном пути», остается вымышленным. Тем не менее, работа может помочь экспериментально подтвердить теории о том, как устроена Вселенная, и даже помочь открыть ранее неизвестную физику.
Ссылка: К. Сугимото, Ю. Хе, Н. Ивата, И-Л. Йе, К. Тангтартаракул, А. Арефьев и Ю. Сэнтоку, 9 августа 2023 г., «Физические обзорные письма».
DOI:10.1103/PhysRevLett.131.065102
Источник составления: ScitechDaily.