Превращение света в материю: физики разработали эксперимент по реализации процесса Брейта-Уилера
Уравнение Эйнштейна E = mc2, которое устанавливает эквивалентность между энергией и массой, имеет важное значение для ядерной физики. Оно описывает, как при ядерном слиянии или делении атомов часть массы превращается в энергию. Однако обратный процесс — получение массы из энергии — также возможен, но требует очень высоких энергий. В частности, если столкнуть два фотона — элементарные частицы света — с энергией, превышающей пороговую, то можно получить пару электрон-позитрон. Электрон — это отрицательно заряженная частица, а позитрон — это ее античастица с положительным зарядом. Этот процесс называется процессом Брейта-Уилера, и он был теоретически предсказан в 1934 году, но до сих пор не был экспериментально реализован.
Недавнее исследование, проведенное учеными из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего, предлагает способ, как можно осуществить процесс Брейта-Уилера в лабораторных условиях с помощью лазеров высокой интенсивности. Исследователи использовали численные симуляции, чтобы исследовать различные сценарии столкновения фотонов и определить оптимальные параметры для получения электрон-позитронных пар. Их результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Основная идея исследования заключается в том, что два лазера высокой интенсивности могут создать плазму — ионизированный газ, который состоит из свободных электронов и ионов. Плазма может взаимодействовать с фотонами, отражая их и увеличивая их энергию. Если плазма имеет достаточно высокую плотность и температуру, то фотоны могут столкнуться друг с другом и превратиться в электрон-позитронные пары.
«Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и мы с нетерпением ждем его реализации в реальных условиях», — сказал Алексей Арефьев, физик из Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор статьи.
Экспериментальная установка возможна, по словам ученых, при интенсивностях лазера, которые существуют в настоящее время. Однако для того, чтобы построить такой коллайдер фотон-фотон, потребуется большое количество ресурсов и согласование между разными лабораториями и организациями.
«Это исследование показывает потенциальный способ исследовать тайны вселенной в лабораторных условиях», — сказал Вячеслав Лукин, директор программы в Национальном научном фонде, который поддержал недавнее исследование.
Процесс Брейта-Уилера является одним из фундаментальных процессов квантовой электродинамики, которая описывает взаимодействие света и заряженных частиц. Его экспериментальное подтверждение может дать новые знания о природе света и материи, а также о возможности создания новых источников энергии.
Кроме того, процесс Брейта-Уилера может происходить в космических условиях, где существуют очень высокие энергии и магнитные поля. Такие условия могут быть в ядрах нейтронных звезд — экстремально плотных объектов, которые образуются в результате коллапса ядер звезд. Нейтронные звезды могут вращаться с очень высокой скоростью, излучать гамма-лучи и иметь самые сильные магнитные поля во вселенной. Если нейтронная звезда вращается достаточно быстро, то она называется пульсаром. Пульсары могут быть местом, где фотоны сталкиваются друг с другом и превращаются в электрон-позитронные пары, а также где частицы темной материи могут аннигилировать с обычной материей и излучать фотоны. Пульсары также являются полезными инструментами для измерения гравитационных волн — малозаметных колебаний пространства-времени, которые возникают от движения массивных объектов.
20 комментариев
Добавить комментарий
Вообще-то идея связи пространства со временем и появилась из уравнений Максвелла, как вы знаете. Минковский и Хэвисайд превратили мешанину кучи 3-мерных формул в красивый и компактный вид, совершенно эквивалентный исходным уравнениям. И потом это все отлично легло в ОТО. Это наталкивает на мысль, что исходно все-таки пространство-время. Разного сорта новая физика с дополнительными размерностями с «компактификацией» ничуть не меняет итогового четырехмера.
Нелинейные свойства есть и в обычной стандартной модели. В ней есть трехточечные и четырехточечные взаимодействия типа «два фотона в два W-бозона» (см. большие обзоры Гинзбурга, Тельнова и их коллег по проектам электрон-фотонных и фотон-фотонных ускорителей). Это совсем не мешает рассматривать взаимодействия при высоких энергиях как взаимодействия частиц.
Это и помогает нам использовать весь этот математический формализм, считая пространство-время и частицы в нем — отдельно друг от друга. А вот связать ежа с ужом и получить моток колючей проволоки (ОТО плюс стандартную модель) не получается по различным причинам. Вполне возможно, что и из-за того, что пока не придумали нужного математического аппарата.
Все упирается в закон сохранения энергии — масса электрона 0.5MeV, значит, надо иметь фотоны с такой же или большей энергией. Это область гамма-излучения (или очень жесткого рентгена). Нужен по меньшей мере рентгеновский лазер.
Оно ничего такого не описывает. Просто оказалось, что при распаде или слиянии продукты реакций имеют меньшую массу, чем исходные, поэтому по закону сохранения должна выделяться энергия.
Автору хорошо бы знать, что уже более шестидесяти лет, как понятие «масса» в физике частиц определяет только «массу покоя».
Е=mc2 — это НЕ уравнение Эйнштейна (которое о 4-векторе энергии импульса)
P.S. Рождение электрон-позитронных пар во внешних полях — это 30е года 20 века.
Сейчас же модная тема — это рождение таких пар в мощных коротко импульсных лазерах
Насчет мощных лазеров есть одна «проблемка» — закон сохранения энергии. Нужны лазеры с гамма-излучением, иначе не хватит энергии породить электрон-позитронную пару (чуть больше 1MeV суммарно на два фотона, а это уже гамма-излучение). Тут то же самое, как и красная граница фотоэффекта: как ни облучай красным светом с какой угодно интенсивностью — не получишь вылет электронов из металла.
В статье предлагают делать некую накачку плазмы энергией, чтобы внутри появились высокоэнергетические фотоны, которые могут дать электрон-позитронную пару. Забавный вариант.
Добавить комментарий