Teoretiske fysikere ved Imperial College London designet eksperimentet som ville gjøre det mulig.
Teoretiske fysikere ved Imperial College London har designet et eksperiment, som bruker eksisterende teknologi, for å transformere lys til materie ved kollisjon av to fotoner. Muligheten ble teoretisert for 80 år siden, men til nå hadde det ikke vært mulig å utforme et eksperiment for å bevise det.
Fysikere ved Imperial College London har oppdaget hvordan man kan skape materie fra lys: en prestasjon som ble antatt umulig da den først ble teoretisert for 80 år siden .
I løpet av en dag, etter flere kaffe, på et lite kontor på Blackett Physics Laboratory , Imperial College, utviklet tre fysikere en relativt enkel måte å fysisk teste en teori som opprinnelig ble utviklet av forskerne Breit og Wheeler, i 1934.
Breit og Wheeler foreslo at det skulle være mulig å konvertere lys til materie ved å kollidere to lyspartikler (fotoner), og lage et elektron og en positron: den enkleste metoden for å konvertere lys til materie som noen gang er forutsagt. Beregningen viste seg teoretisk fornuftig, men Breit og Wheeler sa at de ikke forventet at noen fysisk skulle bevise sin prediksjon. Det har aldri blitt observert i laboratoriet og tidligere eksperimenter for å teste det krevde tilsetning av massive høyenergipartikler.
Mulig praktisk test
Den nye forskningen, publisert i tidsskriftet Nature Photonics, viser for første gang hvordan Breit og Wheelers teori kunne bevises i praksis . Denne "foton-foton-kollideren", som ville konvertere lys direkte til materie gjennom en teknologi som allerede er tilgjengelig, ville være en ny type fysisk eksperiment med høy energi.
Dette eksperimentet ville gjenskape en prosess som var veldig viktig i de første 100 sekundene av universet, og som også sees i gammastråle-utbrudd, som er de største eksplosjonene i universet, og et av de største uløste mysteriene i fysikken.
Forskere hadde undersøkt fusjonsenergiproblemer som ikke var relatert til dette, da de innså at det de arbeidet med kunne gjelde Breit-Wheeler-teorien. Forskuddet ble oppnådd i samarbeid med en teoretisk fysiker fra Max Planck Institute for Nuclear Physics, fra Tyskland, som var på besøk på keiserlige.
Å demonstrere Breit-Wheeler-teorien ville gi den endelige delen av et fysikkpuslespill som beskriver de enkleste måtene å samhandle mellom lys og materie. De seks andre delene av dette puslespillet, inkludert Diracs teori fra 1930 om utslettelse av elektroner og positroner og Einsteins 1905 om den fotoelektriske effekten, er relatert til Nobelprisvinnende forskning.
Professor Steve Rose ved Institutt for fysikk ved Imperial College forklarer i pressemeldingen: “ Til tross for alle fysikerne som godtok at teorien hans var sann, sa Breit og Wheeler at de ikke hadde forventet at den skulle demonstreres på laboratoriet. I dag, nesten 80 år senere, beviste vi at de tok feil. Det som var mest overraskende for oss, var oppdagelsen av hvordan vi kan skape materie direkte fra lys ved bruk av teknologi som vi har i dag i Storbritannia. Ettersom vi er teoretikere, snakker vi med mennesker som kan bruke ideene våre til å utføre dette historiske eksperimentet. ”
Relaterte artikler
Første foto av lyset som oppfører seg som bølge og korpuskel samtidig
Mulig forklaring på stoffets opprinnelse i kosmos
En 'app' for Google Glass analyserer plantenes helse uten å skade dem
De får sammenflettede fotoner inne i en brikke
De får stoppe lyset i luften
Et pågående eksperiment
Det kolliderende eksperimentet som forskere har foreslått innebærer to hovedtrinn. For det første ville forskere bruke en ekstremt kraftig laser med høy intensitet for å akselerere elektroner til rett under lysets hastighet.
Så ville de avfyrt disse elektronene på en gullplate for å lage en bjelke av fotoner en milliard ganger mer energisk enn synlig lys.
Den neste fasen av eksperimentet involverer en liten gullkapsel kalt hohlraum ("tomt rom" på tysk). Forskerne ville avfyrt en høyenergilaser på den indre overflaten av dette gullfartøyet, for å lage et termisk strålingsfelt, som ville generere et lys som ligner på lyset som sendes ut fra stjernene.
Deretter ville de lede fotonstrålen i det første trinnet av eksperimentet gjennom midten av kapselen, noe som fikk fotonene til de to kildene til å kollidere og danne elektroner og positroner. Da ville det være mulig å oppdage dannelsen av elektroner og positroner når de forlot kapselen.
Lederforsker Oliver Pike, som for tiden fullfører doktorgrad i plasmafysikk, legger til: “Selv om teorien er konseptuelt enkel, har det vært veldig vanskelig å verifisere eksperimentelt. Vi var i stand til å utvikle ideen for collideren veldig raskt, men den eksperimentelle designen vi foreslår kan utføres med relativt enkelhet og med eksisterende teknologi. "
"Med bare noen timer å tenke på hohlraums-applikasjoner utenfor den tradisjonelle rollen i fusjonsenergiforskning, ble vi overrasket over å oppdage at det ga de perfekte betingelsene for å lage en fotoncollider. Løpet for å gjennomføre og fullføre eksperimentet er i gang! ”
Forskningen ble finansiert av Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), John Adams Institute for Accelerator Science og The Atomic Armament Establishment (AWE), alle sammen i Storbritannia, og ble utført i samarbeid med Max-Planck -Institut für Kernphysik, fra Tyskland.
Bibliografisk referanse :
EUT Pike, F. Mackenroth, EG Hill, SJ Rose. En foton - foton kollider i et vakuum hohlraum. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038 / nphoton. 2014.95
De oppdager hvordan de kan skape materie fra lys
