Kollisioner af lys producerer stof/antistof fra ren energi

Forskere, der studerer partikelkollisioner ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - en US Department of Energy Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory - har produceret definitive beviser for to fysikfænomener forudsagt for mere end 80 år siden. Resultaterne blev afledt af en detaljeret analyse af mere end 6, 000 par elektroner og positroner produceret i blikpartikelkollisioner ved RHIC og er offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Det primære fund er, at par af elektroner og positroner - stofpartikler og antistof - kan skabes direkte ved at kollidere meget energiske fotoner, som er kvante "pakker" af lys. Denne omdannelse af energisk lys til stof er en direkte konsekvens af Einsteins berømte E=mc2-ligning, som siger, at energi og stof (eller masse) er udskiftelige. Kernereaktioner i solen og på atomkraftværker omdanner jævnligt stof til energi. Nu har forskere konverteret lysenergi direkte til stof i et enkelt trin.

Det andet resultat viser, at lysets vej gennem et magnetfelt i et vakuum bøjes forskelligt afhængigt af, hvordan dette lys er polariseret. En sådan polarisationsafhængig afbøjning (kendt som dobbeltbrydning) opstår, når lys rejser gennem visse materialer. (Denne effekt svarer til den måde, hvorpå bølgelængdeafhængig afbøjning opdeler hvidt lys i regnbuer.) Men dette er den første demonstration af polarisationsafhængig lysbøjning i et vakuum.

Begge resultater afhænger af evnen hos RHICs STAR-detektor - Solenoid Tracker hos RHIC - til at måle vinkelfordelingen af ​​partikler, der produceres ved blikkollisioner af guldioner, der bevæger sig med næsten lysets hastighed.

Sammenstødende skyer af fotoner

Sådanne evner eksisterede ikke, da fysikerne Gregory Breit og John A. Wheeler først beskrev den hypotetiske mulighed for at kollidere lyspartikler for at skabe elektronpar og deres antistof-modstykker, kendt som positroner, i 1934.

"I deres papir, Breit og Wheeler har allerede indset, at dette er næsten umuligt at gøre, " sagde Brookhaven Lab-fysiker Zhangbu Xu, medlem af RHICs STAR Collaboration. "Lasere eksisterede ikke engang endnu! Men Breit og Wheeler foreslog et alternativ:at accelerere tunge ioner. Og deres alternativ er præcis, hvad vi gør hos RHIC."

En ion er i bund og grund et nøgent atom, fjernet sine elektroner. En guldion, med 79 protoner, bærer en kraftig positiv ladning. At accelerere en sådan ladet tung ion til meget høje hastigheder genererer et kraftigt magnetfelt, der spiraler rundt om den fartpartikel, som den bevæger sig - som strøm, der flyder gennem en ledning.

"Hvis hastigheden er høj nok, styrken af ​​det cirkulære magnetfelt kan være lig med styrken af ​​det vinkelrette elektriske felt, " sagde Xu. Og det arrangement af vinkelrette elektriske og magnetiske felter af samme styrke er præcis, hvad en foton er - en kvantiseret "partikel" af lys. "Så, når ionerne bevæger sig tæt på lysets hastighed, der er en flok fotoner omkring guldkernen, rejser med det som en sky."

Hos RHIC, forskere accelererer guldioner til 99,995 % af lysets hastighed i to acceleratorringe.

"Vi har to skyer af fotoner, der bevæger sig i modsatte retninger med tilstrækkelig energi og intensitet til, at når de to ioner græsser forbi hinanden uden at kollidere, disse fotonfelter kan interagere, " sagde Xu.

STAR-fysikere sporede interaktionerne og ledte efter de forudsagte elektron-positron-par.

Men sådanne partikelpar kan skabes ved en række processer hos RHIC, herunder gennem "virtuelle" fotoner, en tilstand af foton, der eksisterer kortvarigt og bærer en effektiv masse. For at være sikker på, at stof-antistof-parrene kom fra rigtige fotoner, videnskabsmænd skal påvise, at bidraget fra "virtuelle" fotoner ikke ændrer resultatet af eksperimentet.

At gøre det, STAR-forskerne analyserede vinkelfordelingsmønstrene for hver elektron i forhold til dens partnerpositron. Disse mønstre adskiller sig for par produceret af reelle fotoninteraktioner versus virtuelle fotoner.

"Vi målte også al energien, massefordelinger, og systemernes kvantetal. De er i overensstemmelse med teoriberegninger for, hvad der ville ske med rigtige fotoner, sagde Daniel Brandenburg, en Goldhaber Fellow ved Brookhaven Lab, der analyserede STAR-dataene på denne opdagelse.

Andre forskere har forsøgt at skabe elektron-positron-par fra kollisioner af lys ved hjælp af kraftige lasere - fokuserede stråler af intenst lys. Men de individuelle fotoner i disse intense stråler har ikke nok energi endnu, sagde Brandenburg.

Et eksperiment på SLAC National Accelerator Laboratory i 1997 lykkedes ved at bruge en ikke-lineær proces. Forskere der var først nødt til at øge fotonernes energi i en laserstråle ved at kollidere den med en kraftig elektronstråle. Kollisioner af de forstærkede fotoner med flere fotoner samtidigt i et enormt elektromagnetisk felt skabt af en anden laser producerede stof og antistof.

"Vores resultater giver klare beviser for direkte, et-trins skabelse af stof-antistof-par fra kollisioner af lys som oprindeligt forudsagt af Breit og Wheeler, " sagde Brandenburg. "Takket være RHIC's højenergiske tunge ionstråle og STAR-detektorens store accept og præcisionsmålinger, vi er i stand til at analysere alle kinematiske fordelinger med høj statistik for at bestemme, at de eksperimentelle resultater faktisk stemmer overens med virkelige fotonkollisioner."

Bøje lys i et vakuum

STARs evne til at måle de bittesmå afbøjninger af elektroner og positroner produceret næsten ryg mod ryg i disse begivenheder gav også fysikerne en måde at studere, hvordan lyspartikler interagerer med de kraftige magnetfelter, der genereres af de accelererede ioner.

"Skyen af ​​fotoner, der omgiver guldionerne i en af ​​RHICs stråler, skyder ind i det stærke cirkulære magnetfelt, der produceres af de accelererede ioner i den anden guldstråle, " sagde Chi Yang, en mangeårig STAR-samarbejdspartner fra Shandong University, der brugte hele sin karriere på at studere elektron-positron-par produceret fra forskellige processer på RHIC. "At se på fordelingen af ​​partikler, der kommer ud, fortæller os, hvordan polariseret lys interagerer med magnetfeltet."

Werner Heisenberg og Hans Heinrich Euler i 1936, og John Toll i 1950'erne, forudsagde, at et tomrumsvakuum kunne polariseres af et kraftigt magnetfelt, og at et sådant polariseret vakuum skulle afbøje fotonernes veje afhængigt af fotonpolarisering. Afgift, i sit speciale, også detaljeret, hvordan lysabsorption af et magnetfelt afhænger af polarisering og dets forbindelse til lysets brydningsindeks i et vakuum. Denne polarisationsafhængige afbøjning, eller dobbeltbrydning, er blevet observeret i mange typer krystaller. Der var også en nylig rapport om lyset, der kommer fra en neutronstjerne, der bøjer denne vej, formentlig på grund af dens interaktioner med stjernens magnetfelt. Men intet jordbaseret eksperiment har opdaget dobbeltbrydning i et vakuum.

Hos RHIC, forskerne målte, hvordan lysets polarisering påvirkede, om lyset blev "absorberet" af magnetfeltet.

Dette svarer til den måde, polariserede solbriller blokerer visse stråler i at passere igennem, hvis de ikke matcher polariseringen af ​​linserne, Yang forklarede. I tilfælde af solbriller, ud over at se mindre lys komme igennem, du kunne, i princippet, måle en stigning i temperaturen af ​​linsematerialet, da det absorberer energien fra det blokerede lys. Hos RHIC, den absorberede lysenergi er det, der skaber elektron-positron-parrene.

"Når vi ser på produkterne produceret af foton-foton-interaktioner på RHIC, ser vi, at produkternes vinkelfordeling afhænger af vinklen på lysets polarisering. Dette indikerer, at absorption (eller passage) af lys afhænger af dets polarisering, " sagde Yang.

Dette er den første jordbaserede eksperimentelle observation af, at polarisering påvirker lysets interaktioner med magnetfeltet i vakuumet - vakuum dobbeltbrydningen forudsagt i 1936.

"Begge disse fund bygger på forudsigelser lavet af nogle af de store fysikere i det tidlige 20. århundrede, sagde Frank Geurts, professor ved Rice University, hvis team byggede og drev de avancerede "Time-of-Flight" detektorkomponenter fra STAR, som var nødvendige for denne måling. "De er baseret på fundamentale målinger, der først er muliggjort for nylig med de teknologier og analyseteknikker, vi har udviklet hos RHIC."