За първи път учени наблюдават създаването на материя от светлина.

Едно от най-очарователните следствия от известното уравнение на Айнщайн E=mc2 е, че материята и енергията са взаимозаменяеми.

С други думи трябва да е възможно да се създаде материя от чиста енергия, като светлината. Този процес известен като създаване на материя или производство на двойки е предложен за първи път от физиците Грегъри Брейт и Джон Уилър през 1934 г. Въпреки това той остава неуловим в продължение на десетилетия, тъй като изисква изключително високоенергийни фотони, за да се сблъскат един с друг и да произведат електрон-позитронни двойки.

Екип от учени от Националната лаборатория Брукхейвън в Ню Йорк съобщи за първото директно наблюдение на създаването на материя от светлина в една стъпка. Те са използвали Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), мощен ускорител на частици, който може да разбие заедно тежки йони със скоростта почти на светлината. По този начин те са създали интензивни електромагнитни полета, които са съдържали виртуални фотони, които са краткотрайни смущения в полетата, които се държат като истински фотони.

Когато два йона са преминали един през друг, без да се сблъскат, някои от техните виртуални фотони си взаимодействали и се превърнали в истински фотони с много висока енергия. След това тези фотони се сблъскали един с друг и са произвели двойки електрон-позитрон, които са били открити от детектора STAR в RHIC. Учените са анализирали повече от 6000 такива двойки и са установили, че тяхното ъглово разпределение съответства на теоретичната прогноза за създаване на материя от светлина.

Този експеримент не само потвърждава дългогодишното предсказание на квантовата електродинамика, но също така демонстрира нов начин за изследване на свойствата на материята и антиматерията в екстремни условия. Учените се надяват да проучат допълнително този феномен и неговите последици за фундаменталната физика и космологията.

Литература(и): Научна статия

РЕЗЮМЕ:

Процесът на Брейт-Уилър, който произвежда материя и антиматерия от сблъсъци на фотони, е експериментално изследван чрез наблюдение на 6085 изключителни двойки електрон-позитрон в ултрапериферни Au+Au сблъсъци при √sNN=200  GeV. Измерванията разкриват голяма ъглова модулация от четвърти ред на cos4Δϕ=(16,8±2,5)% и гладко инвариантно разпределение на масата, отсъстващо от векторни мезони (ϕ, ω и ρ) при експерименталната граница от ≤0,2% от наблюдаваните добиви. Диференциалното напречно сечение като функция на e+e− двойка напречен импулс P⊥ достига пикове при ниска стойност с √⟨P2⊥⟩=38,1±0,9  MeV и показва значителна централна зависимост. Тези характеристики са в съответствие с QED изчисленията за сблъсък на линейно поляризирани фотони, квантувани от изключително силните електромагнитни полета, генерирани от силно заредените Au ядра при ултрарелативистка скорост. Експерименталните резултати имат значение за двойното пречупване на вакуума и за картографиране на магнитното поле, което е важно за възникващите явления на QCD.

Диаграма на Файнман за изключителния процес на Брейт-Уилър и свързания процес на разсейване светлина по светлина, илюстриращ уникалното ъглово разпределение, предвидено за всеки процес, дължащо се на първоначалната фотонна поляризация.

Разпределението χ2ee спрямо χ2ππ преди (след) прилагане на критериите |ΔΔ  TOF|<0,4 в черно (цвят). Кандидатите e+e− са показани в цвят под червените линии.

Напълно коригираните диференциални напречни сечения за изключително произведени e+e− двойки по отношение на (a) инвариантната маса Mee (и предсказания фон на вектор-мезон от фотопроизводството, (b) разпределението на полярния ъгъл |cosθ′|, и (c) двойният напречен импулс P⊥.

Разпределението Δϕ=ϕee−ϕe от UPC и 60%–80% централни сблъсъци за Mee>0,45  GeV с изчисления от QED [47], STARLight и от публично достъпния код superchic3.