Физики придумали, как превратить свет в материю

В 1934 году Грегори Брейт (Gregory Breit) и Джон Уилер (John Wheeler) вывели теоретическое основание того, как свет можно превратить в материю. Восемьдесят лет спустя физики из Имперского колледжа Лондона объяснили, как экспериментально доказать эту теорию.
Брейт и Уилер предположили, что столкновение двух фотонов приведёт к созданию пары электрон-позитрон — этот мысленный эксперимент получил название процесса Брейта-Уилера. Учёные говорили, что они и не надеются, что кто-либо проверит их теорию в лаборатории, поскольку для эксперимента требуется также участие массивных частиц высоких энергий.
Новое исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Photonics, демонстрирует, как процесс Брейта-Уилера можно проверить на практике. Учёные утверждают, что коллайдер для двух единичных фотонов станет новым типом эксперимента физики высоких энергий. В ходе такого опыта можно будет изучить процессы, протекавшие в первые 100 секунд существования Вселенной, в том числе и гамма-вспышки, которые до сих пор считаются одной из величайших неразгаданных тайн космоса.
Авторы нового исследования утверждают в пресс-релизе, что открытие было сделано почти случайно, поскольку они изначально занимались теориями, никак не связанными с процессом Брейта-Уилера.
«Сегодня в Великобритании мы уже имеем возможность экспериментально доказать теорию Брейта-Уилера, а ведь 80 лет назад это казалось почти невозможным. Наши исследователи разработали теоретическое описание эксперимента, и мы уже ведём переговоры с экспериментаторами, способными воплотить идею в жизнь», — рассказывает Стив Роуз (Steve Rose), заведующий кафедрой физики в Имперском колледже Лондона.
Эксперимент состоит из двух ключевых этапов. Сначала учёные будут использовать лазер высокой интенсивности, чтобы разогнать электроны до скорости близкой к световой. Затем эти электроны будут направлять в мишень — золотую пластинку — чтобы создать пучок фотонов, энергия которых будет в миллиард раз выше, чем у видимого света.
На следующем этапе будет использована крошечная золотая банка — так называемый хольраум. Высокоэнергетический лазер будет стрелять по внутренней поверхности хольраума для создания теплового излучения. Таким образом появится свет, похожий на тот, что излучают звёзды.
Семь путей взаимодействия света и материи и место нынешнего эксперимента в этом списке (иллюстрация Oliver Pike, Imperial College London)
Затем пучок фотонов из первого этапа эксперимента направят на центр хольраума, в результате чего фотоны из двух источников будут сталкиваться друг с другом и образовывать пары электронов и позитронов. Эти пары можно будет засечь детектором на выходе из хольраума.
«Ключевой идеей нашего исследования является использование хольраума для нетрадиционных целей. Обычно он применяется в исследования энергии синтеза, но мы решили взять его для создания фотонного коллайдера», — говорит ведущий автор исследования Оливер Пайк (Oliver Pike).
По словам британских физиков, эксперимент будет поставлен в самое ближайшее время. Всех существующих технологий достаточно для проведения данного опыта. Осталось только найти оптимальную лабораторию и команду экспериментаторов.