İki yüksek enerjili ışık demeti çarpışırsa ne olur?
Tüm maddeler karşılık gelen Antimadde Elektronlar ve pozitronlar, protonlar ve antiprotonlar ve kuarklar ve antikuarklar gibi ortaklar. Bir parçacık, karşıt parçacığı ile karşılaştığında, Yok etme Bir tür en yüksek enerjili ışık üretin Gama ışınları .
Madde ve antimadde buluştuğunda yok olur ve tüm enerji fotonlar şeklinde salınır. | Resim kaynağı: RealLifeLore / YouTube
Sonra ışığı oluşturan parçacıklar ... Foton Ne? "Fotonları yansıtan" bir tür madde var mı?
Cevap evet, ancak bu temel bir yeni parçacık değil, tıpkı hiçbir farkı olmayan sıradan bir foton gibi. Maddenin ve antimaddenin davranışını tanımlayan fiziksel teoriler, iki yüksek enerjili foton doğru şekilde çarpışırsa, bir çift madde ve antimadde parçacığı üretmek için yok olacaklarını öngörüyor.
Aslında, 1934 gibi erken bir tarihte, Gregory Breit ve John Archibald Wheeler ilk önce Foton-foton imhası . Temel fikir çok basit: Bir elektron ve bir pozitron nispeten yavaş bir hızda çarpışırsa, en doğrudan sonuç aynı enerjiye sahip bir çift gama ışınıdır. Ve tüm süreç tersine çevrilirse, eşit derecede eşdeğer olmalıdır: yani Uygun enerjiye sahip gama ışınlarıyla çarpışmak bir elektron ve bir pozitron üretecektir. , Buna " Bright-Wheeler Süreci ".
Burada bahsedilen "uygun enerji" çok önemlidir, örneğin görünür ışığın enerjisi yetersiz olmaktan uzaktır. Fotonların kütlesi yoktur, saf enerjidirler, dolayısıyla Einstein'ın E = mc²'ye göre ışığın elektronlara ve pozitronlara dönüştürülebilecek kadar yüksek enerjiye sahip olması gerekir. Yani diğer ışık türlerinin enerjisi çok düşük olduğu için bunu yalnızca gama ışınları yapabilir.
Işık ve madde arasındaki etkileşimi tanımlayan teori. Bright-Wheeler teorisinin doğrulanması, ışık ve maddenin etkileşimini tanımlayan teorideki bulmacanın son parçasını doldurmaktır. Diğer altı parçalı bulmacalar arasında 1930'da Dirac tarafından tahmin edilen elektron ve pozitronların yok edilmesi ve 1905'te Einstein'ın fotoelektrik etki teorisi yer alıyor. | Resim kaynağı: Oliver Pike, Imperial College London
Bu teorik olarak mümkün olmasına rağmen, laboratuvarda başarmak zor olmaktan başka bir şey değildir, öyle ki Bright ve Wheeler, laboratuvarda parçacık çiftlerinin oluşumunu gözlemlemenin imkansız olduğunu düşündüler.
Tabii ki, bilim adamları artık daha iyimserler, ancak deneysel kurulum ek büyük, yüksek enerjili parçacıklar gerektiriyor. Yine de bu süreci laboratuvarda hala gözlemlemedik.
2014 yılına kadar Londra Imperial College Fizik Bölümünde, fizikçi Steve Rose ve diğer iki çalışma arkadaşı küçük bir odada toplandılar ve birkaç fincan kahveden sonra, kumaşı kanıtlamak için nispeten basit bir yöntem buldular. Wright-Wheeler işlemi ve deneyde ek yüksek enerjili parçacıklar eklemeye güvenmeye gerek yok.
Kısa bir süre önce, bu deney nihayet çalışmaya başladı ve ışığın doğrudan maddeye dönüştürülmesini ilk kez gerçekleştirmeyi umuyordu.
Lazer ışınının odaklandığı hedef oda. | Resim kaynağı: Imperial College
Profesör Rose şunları söyledi: "Bu, Einstein'ın E = mc² kütle-enerji denkleminin en saf gösterimi olacak. Kütle-enerji denklemi bize madde enerjiye dönüştürüldüğünde ne kadar enerji üretileceğini söylüyor. Ve yaptığımız tam olarak bu. , Tam tersi: foton enerjisini kütleye dönüştürmek, yani m = E / c². "
Imperial College ve Jena, Almanya'dan deneyciler. | Resim kaynağı: Imperial College
Deneysel sistem, birbiriyle çarpışacak fotonları üretmek için iki yüksek güçlü lazer içerir. Bir fotonun enerjisi, görünür ışık fotonlarının enerjisinin yaklaşık 1.000 katıdır ve diğerinin enerjisi, görünür ışık fotonlarının enerjisinin 1 milyar katıdır.
Lazer ışını, hedef bölmedeki iki ayrı hedefe odaklanır Hedef bölme ayrıca lazer ışınını odaklamak için gereken karmaşık optik cihazları ve yüklü parçacıkları saptırmak için kullanılan mıknatısları içerir. Çarpışmada oluşan yüklü pozitronlar, araştırmacıların deneyin başarısını doğrulamak için yaptıkları araştırmanın hedefleridir.
Hedef oda, lazer ışınını odaklamak için optikler içerir. | Resim kaynağı: Imperial College
Tüm dünyada bu deney için en uygun lazer sistemini aradılar ve sonunda en uygun aletin aslında Londra yakınlarında olduğunu buldular. Böylece, Merkezi Lazer Enstitüsü'nün Gemini Lazeri olan Oxford yakınlarındaki STFC Rutherford Appleton Laboratuvarı'na gittiler. Gemini lazerine ek olarak, kullandıkları bazı dedektörler Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nden (CERN) geliyor.
Deney başarılı olursa, pozitronları tespit edecek ve böylece 84 yıl önceki tahmini doğrulayacak. Ancak aynı zamanda, veri analizi süreci, bu pozitronların diğer arka plan süreçlerinden çok Bright-Wheeler sürecinden türetildiğini doğrulamak için yeterince titiz ve titiz olmalıdır.
Deney bu süreci başarılı bir şekilde sunduktan sonra, bilim adamları evrenin ilk 100 saniyesi için önemli olan ve aynı zamanda gama ışını patlamalarında da görülebilen bir süreci yeniden inşa edecekler - bu, evrendeki en büyük patlama olayı ve Fiziğin çözülmemiş en büyük gizemlerinden biri.
Deneyde. | Resim kaynağı: Imperial College
Sadece bu değil, deney aynı zamanda ışık ve madde arasındaki etkileşimi tanımlayan bir teori olacak - Kuantum elektrodinamiği (QED) son muayene. QED'in diğer temel tahminleri deneysel olarak kanıtlandı, ancak iki fotonlu Bright-Wheeler süreci hiçbir zaman doğrulanmadı.
Aynı zamanda, bu aynı zamanda yüksek enerjili fizik deneyleri için yeni bir yol açacaktır. Bekleyelim ve görelim.
Referans bağlantısı:
Pike, O, J. ve diğerleri 2014. "Vakum hohlraumda bir foton-foton çarpıştırıcısı". Nature Photonics, 18 Mayıs 2014.
