Основное открытие состоит в том, что пары электронов и позитронов – частицы материи и антивещества – могут быть созданы непосредственно путем столкновения очень энергичных фотонов, которые представляют собой квантовые «пакеты» света. Это преобразование энергичного света в материю является прямым следствием знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2, в котором говорится, что энергия и материя (или масса) взаимозаменяемы. Ядерные реакции на Солнце и на атомных электростанциях регулярно превращают вещество в энергию.
Теперь ученые преобразовали световую энергию прямо в материю за один шаг.
Второй результат показывает, что путь света, проходящего через магнитное поле в вакууме, изгибается по-разному в зависимости от того, как этот свет поляризован. Такое зависящее от поляризации отклонение (известное как двойное лучепреломление) происходит, когда свет проходит через определенные материалы. (Этот эффект похож на то, как отклонение, зависящее от длины волны, разделяет белый свет на радуги.) Но это первая демонстрация поляризационно-зависимого искривления света в вакууме.
Оба результата зависят от способности детектора RHIC STAR – Solenoid Tracker на RHIC – измерять угловое распределение частиц, образующихся при скользящих столкновениях ионов золота, движущихся почти со скоростью света.
Встречающиеся облака фотонов
Таких возможностей не было, когда физики Грегори Брейт и Джон А. Уиллер впервые описал гипотетическую возможность столкновения легких частиц с образованием пар электронов и их аналогов из антивещества, известных как позитроны, в 1934 году.
«В своей статье Брейт и Уиллер уже поняли, что это практически невозможно сделать», – сказал физик Брукхейвенской лаборатории Чжанбу Сюй, член RHIC STAR Collaboration. "Лазеров еще даже не было! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов. И их альтернатива – это именно то, что мы делаем в RHIC."
Ион – это, по сути, голый атом, лишенный электронов.
Ион золота с 79 протонами несет мощный положительный заряд. Ускорение такого заряженного тяжелого иона до очень высоких скоростей создает мощное магнитное поле, которое закручивается по спирали вокруг ускоряющейся частицы, когда она движется – как ток, текущий по проводу.
«Если скорость достаточно высока, сила кругового магнитного поля может быть равна напряженности перпендикулярного электрического поля», – сказал Сюй.
И это расположение перпендикулярных электрических и магнитных полей равной силы и есть фотон – квантованная «частица» света. "Итак, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, есть пучок фотонов, окружающих ядро золота, которые путешествуют вместе с ним, как облако."
В RHIC ученые ускоряют ионы золота до 99.995% скорости света в двух кольцах ускорителя.
«У нас есть два облака фотонов, движущихся в противоположных направлениях с достаточной энергией и интенсивностью, чтобы, когда два иона скользили мимо друг друга, не сталкиваясь, эти фотонные поля могли взаимодействовать», – сказал Сюй.
Физики STAR отслеживали взаимодействия и искали предсказанные электрон-позитронные пары.
Но такие пары частиц могут быть созданы с помощью ряда процессов в RHIC, в том числе с помощью «виртуальных» фотонов, состояния фотона, которое существует кратковременно и несет эффективную массу. Чтобы быть уверенным, что пары материя-антивещество исходят от реальных фотонов, ученые должны продемонстрировать, что вклад «виртуальных» фотонов не влияет на результат эксперимента.
Для этого ученые STAR проанализировали закономерности углового распределения каждого электрона по отношению к его позитрону-партнеру. Эти паттерны различаются для пар, образованных взаимодействием реальных фотонов, и виртуальных фотонов.
«Мы также измерили всю энергию, массовое распределение и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами того, что могло бы произойти с реальными фотонами ", – сказал Дэниел Бранденбург, научный сотрудник Goldhaber из Brookhaven Lab, который проанализировал данные STAR об этом открытии.
Другие ученые пытались создать электронно-позитронные пары из столкновений света с помощью мощных лазеров – сфокусированных лучей интенсивного света. Но отдельные фотоны в этих интенсивных лучах пока не имеют достаточной энергии, сказал Бранденбург.
Один эксперимент в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в 1997 году был успешным благодаря использованию нелинейного процесса. Ученым сначала пришлось увеличить энергию фотонов в одном лазерном луче, столкнув его с мощным электронным лучом. Столкновения усиленных фотонов с несколькими фотонами одновременно в огромном электромагнитном поле, созданном другим лазером, производили материю и антивещество.
«Наши результаты представляют собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар материя-антивещество в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер», – сказал Бранденбург. «Благодаря высокоэнергетическому пучку тяжелых ионов RHIC и высокому усмотрению и прецизионным измерениям детектора STAR мы можем проанализировать все кинематические распределения с высокой статистикой, чтобы определить, что экспериментальные результаты действительно согласуются с реальными столкновениями фотонов."
Изгибающийся свет в вакууме
Способность STAR измерять крошечные отклонения электронов и позитронов, возникающих почти один за другим в этих событиях, также дала физикам возможность изучить, как легкие частицы взаимодействуют с мощными магнитными полями, создаваемыми ускоренными ионами.
«Облако фотонов, окружающее ионы золота в одном из лучей RHIC, выстреливает в сильное круговое магнитное поле, создаваемое ускоренными ионами в другом луче золота», – сказал Чи Ян, давний сотрудник STAR из Университета Шаньдун, который провел свои всю карьеру изучает электронно-позитронные пары, полученные в результате различных процессов в RHIC. "Глядя на распределение выходящих частиц, мы узнаем, как поляризованный свет взаимодействует с магнитным полем."
Вернер Гейзенберг и Ганс Генрих Эйлер в 1936 году и Джон Толл в 1950-х годах предсказали, что вакуум в пустом пространстве может быть поляризован мощным магнитным полем и что такой поляризованный вакуум должен отклонять пути фотонов в зависимости от поляризации фотонов. Толль в своей диссертации также подробно описал, как поглощение света магнитным полем зависит от поляризации и его связи с показателем преломления света в вакууме. Это зависящее от поляризации отклонение или двойное лучепреломление наблюдалось во многих типах кристаллов. Также недавно было сообщение о том, что свет, исходящий от нейтронной звезды, искривляется таким образом, предположительно из-за его взаимодействия с магнитным полем звезды.
Но ни один земной эксперимент не обнаружил двойного лучепреломления в вакууме.
В RHIC ученые измерили, как поляризация света влияет на то, «поглощается» ли свет магнитным полем.
Ян объяснил, что это похоже на то, как поляризованные солнцезащитные очки блокируют прохождение определенных лучей, если они не соответствуют поляризации линз. В случае солнцезащитных очков, помимо уменьшения пропускания света, вы, в принципе, можете измерить повышение температуры материала линз, поскольку он поглощает энергию заблокированного света.
В RHIC поглощенная световая энергия – это то, что создает электронно-позитронные пары.
"Когда мы смотрим на продукты, произведенные фотонно-фотонными взаимодействиями на RHIC, мы видим, что угловое распределение продуктов зависит от угла поляризации света. Это указывает на то, что поглощение (или прохождение) света зависит от его поляризации », – сказал Ян.
Это первое экспериментальное наблюдение на Земле, которое показывает, что поляризация влияет на взаимодействие света с магнитным полем в вакууме – двойное лучепреломление вакуума, предсказанное в 1936 году.
«Оба этих открытия основаны на предсказаниях, сделанных некоторыми из великих физиков в начале 20-го века», – сказал Фрэнк Гертс, профессор Университета Райса, чья команда построила и эксплуатировала ультрасовременный «Time-of-» "Полетные" компоненты детектора STAR, необходимые для этого измерения. «Они основаны на фундаментальных измерениях, которые стали возможными только недавно с помощью технологий и методов анализа, которые мы разработали в RHIC."