Фотонен колайдер ще превърне светлината в материя

През 1934 г. Грегъри Брейт и Джон Уилър са извели теоретична основа за това как светлината може да се превърне в материя. Осемдесет години по-късно физиците от Лондонския имперски колеж обясняват как експериментално може да се докаже тази теория.

Брейт и Уилър смятали, че сблъсъкът на фотони ще доведе до създаването на електрон-позитронни двойки – този мислен експеримент е получил наименованието процес на Брейт–Уилър. Учените твърдели, че не се и надяват някой да провери теорията им лабораторно, тъй като за експеримента се изисква и участието на масивни частици с високи енергии.

Ново изследване демонстрира как процесът на Брайт–Уилър може да се провери на практика. Учените твърдят, че колайдер за два единични фотона ще стане новият тип експеримент на физиката на високите енергии. В хода на такъв опит може да се изучат процесите, протекли в първите 100 секунди от съществуването на Вселената, включително и гама-експлозиите.

Авторите на новото изследване твърдят, че откритието им е било направено почти случайно, тъй като те първоначално се занимавали с теории, несвързани по никакъв начин с процеса на Брайт–Уилър.

„Днес във Великобритания ние вече имаме възможност експериментално да докажем теорията на Брейт–Уилър, а преди 80 години това ни се струваше почти невъзможно. Нашите изследователи са разработили теоретично описание на експеримента и ние вече водим преговори с експериментатори, способни да реализират идеята“, разказва Стив Роуз, завеждащ катедрата по физика в Лондонския имперски колеж.

Експериментът се състои от два ключови етапа. Отначало учените ще използват лазер с висока интензивност, за да ускорят електроните до скорост, близка до светлинната. След това тези електрони ще бъдат насочени в мишена – златна пластина, за да се създаде лъч електрони, чиято енергия ще бъде милиард пъти по-висока, отколкото тази на видимата светлина.

На следващия етап ще бъде използван малък златен контейнер – така наречения холраум (от немското hohlraum, „кухина“). Високоенергийният лазер ще стреля по вътрешната повърхност на холраума за създаването на топлинно лъчение. По такъв начин ще се получи светлина, подобна на тази, която излъчват звездите.

След това фотонният лъч от първия етап на експеримента ще бъде насочен в центъра на холраума, в резултат на което фотоните от двата източника ще се сблъскат един с друг и ще образуват двойки електрони и позитрони. Тези двойки могат да се засекат от детектор на изхода от холраума.

„Ключовата идея на нашето изследване се явява използването на холраума за нетрадиционни цели. Обикновено той се прилага в изследването на енергията на синтеза, но ние решихме да го вземем за създаването на фотонен колайдер“, казва водещият автор на изследването Оливър Пайк.

Резултатите от изследването са публикувани в сп. Nature Photonics.