Naukowcy zajmujący się badaniem zderzeń cząstek w akceleratorze Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) przedstawili dowody na istnienie dwóch zjawisk fizycznych, które zostały przewidziane ponad 80 lat temu. Uczeni wykazali, że ze zderzeń fotonów można uzyskać pary elektron-pozyton - cząstek materii i antymaterii. Wykazali także, że światło przechodzące przez pole magnetyczne w próżni ugina się w zależności od tego, jak jest spolaryzowane.
Badaczom udało się eksperymentalnie potwierdzić wynikające z równania E=mc2 twierdzenie, że energia i materia (lub masa) są wymienne. Okazuje się, że pary elektronów i pozytonów - cząstek materii i antymaterii - mogą powstawać bezpośrednio przez zderzanie ze sobą wysokoenergetycznych fotonów. Reakcje jądrowe na Słońcu i w elektrowniach regularnie przekształcają materię w energię. Teraz naukowcy przekształcili energię świetlną bezpośrednio w materię.
Drugie odkrycie wskazuje na to, że światło podróżujące przez pole magnetyczne w próżni ugina się inaczej w zależności od tego, jak jest spolaryzowane. Takie zależne od polaryzacji ugięcie (znane jako dwójłomność) występuje, gdy światło podróżuje przez pewne materiały. Efekt ten jest podobny do sposobu, w jaki odchylenie zależne od długości fali dzieli białe światło na tęczę. Jednak pierwszy raz udało się zaobserwować ugięcie światła zależnego od polaryzacji w próżni.
Oba wyniki uzyskano dzięki możliwościom detektora Solenoid Tracker (STAR) w RHIC. Służy on do detekcji i pomiaru rozkładu kątowego cząstek wytwarzanych podczas zderzeń jonów złota poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. RHIC to amerykański zderzacz ciężkich cząstek elementarnych. Należy do Departamentu Energii USA i jest częścią Office of Science, w ośrodku badawczym zajmującym się fizyką jądrową w Narodowym Laboratorium Brookhaven.
Wyniki badań opublikowano w „Physical Review Letters” (DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.052302).
Takie możliwości techniczne nie istniały, gdy fizycy Gregory Breit i John A. Wheeler po raz pierwszy w 1934 roku opisali hipotetyczną możliwość zderzania cząstek światła w celu stworzenia par elektronów i ich odpowiedników z antymaterii, znanych jako pozytony.
- Już w swojej pracy Breit i Wheeler zdawali sobie sprawę, że jest to prawie niemożliwe do wykonania - mówi fizyk Zhangbu Xu, członek RHIC's STAR Collaboration. - Ale Breit i Wheeler zaproponowali rozwiązanie: przyspieszanie ciężkich jonów. I ich pomysł jest dokładnie tym, co robimy w RHIC – dodaje badacz.
Jon to w uproszczeniu „nagi” atom, który ma niedobór lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Jon złota, posiadający 79 protonów, ma silny ładunek dodatni. Przyspieszanie tak naładowanego ciężkiego jonu do bardzo dużych prędkości generuje silne pole magnetyczne, które otacza rozpędzoną cząstkę, niczym prąd płynący w przewodach. - Jeśli prędkość jest wystarczająco duża, natężenie pola magnetycznego sprawia, że wokół jądra złota znajduje się masa fotonów, podróżujących z nim jak chmura – tłumaczy Xu.
W RHIC naukowcy przyspieszają jony złota do 99,995 proc. prędkości światła w dwóch pierścieniach akceleratora. – Mamy zatem dwie „chmury” fotonów poruszających się w przeciwnych kierunkach z wystarczającą energią i intensywnością, że kiedy dwa jony przechodzą obok siebie bez zderzenia, te pola fotonowe mogą oddziaływać na siebie – mówi Xu.
Fizycy pracujący w STAR śledzili interakcje między fotonami w akceleratorze i szukali przewidywanych par elektron-pozyton. Jednak podobne pary cząstek mogą być tworzone przez szereg innych procesów zachodzących w RHIC. Naukowcy musieli wykazać, że nie wpływają one na detekcję par elektronów i pozytonów.
Aby to zrobić badacze ze STAR przeanalizowali rozkład kątowy każdego elektronu względem jego partnera - pozytonu. Wzorce te różnią się dla par powstałych w wyniku samej interakcji fotonów oraz dla par powstałych w wyniku zaburzeń.
- Zmierzyliśmy również energię, rozkłady masy i liczby kwantowe układów. Są one zgodne z teoretycznymi obliczeniami dotyczącymi reakcji prawdziwych fotonów - mówi Daniel Brandenburg, który analizował dane STAR.
Inni naukowcy próbowali tworzyć pary elektronowo-pozytonowe ze zderzeń światła za pomocą potężnych laserów. Jednak pojedyncze fotony w tych intensywnych wiązkach nie miały jeszcze wystarczającej energii do wytworzenia cząstek.
Wcześniej badaczom udało się uzyskać materię i antymaterię w zderzeniach dużych wiązek elektronów. Teraz po raz pierwszy udowodniono, że podobne zjawisko występuje także w przypadku zderzeń pojedynczych fotonów.
Zdolność STAR do mierzenia maleńkich ugięć elektronów i pozytonów dała fizykom możliwość zbadania, jak cząstki światła oddziałują z potężnymi polami magnetycznymi generowanymi przez rozpędzone jony.
- Spojrzenie na rozkład cząstek mówi nam, jak spolaryzowane światło oddziałuje z polem magnetycznym - mówi Chi Yang, wieloletni współpracownik STAR z Uniwersytetu Shandong.
Werner Heisenberg i Hans Heinrich Euler w 1936 roku, a John Toll w latach 50-tych przewidzieli, że próżnia pustej przestrzeni może być spolaryzowana przez silne pole magnetyczne i że taka spolaryzowana próżnia powinna odchylać ścieżki fotonów w zależności od polaryzacji samych cząstek.
Toll opisał również szczegółowo jak absorpcja światła przez pole magnetyczne zależy od polaryzacji i jej związku ze współczynnikiem załamania światła w próżni. To zależne od polaryzacji odchylenie zostało zaobserwowane w wielu rodzajach kryształów. Ostatnio doniesiono również o świetle pochodzącym z gwiazdy neutronowej, które ugina się w ten sposób, przypuszczalnie z powodu oddziaływania z polem magnetycznym gwiazdy. Jednak jak dotąd żaden ziemski eksperyment nie wykrył zjawiska w próżni.
W RHIC naukowcy zmierzyli, jak polaryzacja światła wpływa na to, czy światło jest „absorbowane” przez pole magnetyczne.
- Zjawisko można porównać do sposobu, w jaki okulary przeciwsłoneczne blokują pewne promienie przed przejściem, jeśli nie pasują one do polaryzacji soczewek – wyjaśnia Yang. W przypadku okularów mniej światła przedostaje się przez soczewki, które nagrzewają się przez zablokowane promienie. W RHIC ta zaabsorbowana energia światła jest tym, co tworzy pary elektron-pozyton.
- Kiedy patrzymy na stworzone cząstki, widzimy, że ich rozkład kątowy zależy od kąta polaryzacji światła. To wskazuje, że absorpcja lub przechodzenie światła zależy od jego polaryzacji - mówi Yang. To pierwsza tego typu obserwacja w dziejach.
Źródło i fot.: Brookhaven National Laboratory
