Один із постулатів квантової фізики каже, що матерія може виникати за допомогою одного лише світла (фотонів). Насправді перевірка цього вимагає колосальних енергій і ще жодного разу не перевірялося в лабораторії. Група вчених із США та Японії знайшла умови, за яких такий експеримент стає можливим з використанням сучасних лазерів.
Слід сказати, що опосередковано синтез матерії з енергії світла було реалізовано в лабораторії і неодноразово протягом останніх два–три роки. Вчені розганяли іони золота та інших важких металів до релятивістських швидкостей. На такій швидкості іони були оточені хмарами фотонів, що призводило до зіткнень між фотонами під час зближення іонів металів. У цих зіткненнях народжувалися частинки та античастинки (зазвичай електрони та позитрони). Інакше висловлюючись, фотон-фотонні взаємодії породжували матерію, що чудово реєструвалося науковими приладами.
Повторити подібний експеримент із одними лише лазерними променями — відтворити чистий експеримент переходу енергії в матерію — це піднятися на інший рівень науки. Як це зробити, розповіла група дослідників з Університету Осаки та Каліфорнійського університету у Сан-Дієго. Вони використовували моделювання, щоб продемонструвати, як можна експериментально виробляти матерію виключно зі світла, що в майбутньому може допомогти перевірити давні теорії про еволюцію Всесвіту.
«Наше моделювання демонструє, що при взаємодії з інтенсивними електромагнітними полями лазера щільна плазма може самоорганізовуватися, утворюючи фотон-фотонний колайдер, – пояснив доктор Сугімото (Sugimoto), провідний автор дослідження, раніше опублікованого в журналі Physical Review Letters. — Цей колайдер містить щільну популяцію гамма-променів, удесятеро щільніших за щільність електронів у плазмі, і енергія яких у мільйон разів перевищує енергію фотонів у лазері».
При зіткненнях фотона з фотоном у колайдері утворюються електрон-позитронні пари, а позитрони прискорюються електричним полем плазми, створюваним лазером. В результаті виходить позитронний пучок.
«Це перше моделювання прискорення позитронів у рамках лінійного процесу Брейта-Уїлера в релятивістських умовах, – сказав професор Ареф’єв, співавтор дослідження. — Ми вважаємо, що наша пропозиція експериментально здійснена, і з нетерпінням чекаємо на реалізацію в реальному світі». Доктор В’ячеслав Лукін, директор програм Національного наукового фонду США, який підтримав роботу, додав: «Це дослідження свідчить про потенційний спосіб дослідити таємниці Всесвіту в лабораторних умовах. Майбутні можливості сьогоднішніх та майбутніх потужних лазерних установок стали ще більш інтригуючими».
Суть процесу в тому, що плазма, що опромінюється доступними сьогодні лазерами в стані близькому до критичного, здатна самоорганізуватися і не тільки зробити позитрони (і електрони), але також прискорити їх до ультрарелятивістських енергій. Лазерний імпульс накопичує електрони своєму передньому краї, створюючи сильне поздовжнє електричне поле плазми. Поле створює гамма-колайдер, що рухається (своєрідний фронт хвилі, де відбуваються зіткнення гамма-квантів), який генерує позитрони за допомогою лінійного процесу Брейта-Уїлера — анігіляції двох гамма-квантів в електрон-позитронну пару. Водночас прискорювачем для позитронів є плазмове поле, а не лазер, як показано на ілюстрації вище.
Саме відкриття позитронного прискорення обіцяє можливість створити установку для першого в історії перетворення чистої енергії на матерію. Для цього достатньо використовувати доступні лазери з інтенсивністю 1022 Вт/см2. Моделювання показало, що позитронний пучок придбає енергію рівня гігаелектрон-вольт з кутом розбіжності близько 10° із зарядом 0,1 pC (106 електронів в імпульсі). Раніше вважалося фантастикою стане реальністю, але зовсім не так, як у кіно. Реплікатори з цього навряд чи вийдуть. Але підтвердження Стандартної моделі та, не виключено, нова фізика – це гідна нагорода за відкриття.