Teoretiske fysikere ved Imperial College London designet eksperimentet, der ville gøre det muligt.
Teoretiske fysikere ved Imperial College London har designet et eksperiment, der bruger eksisterende teknologi, til at omdanne lys til stof ved kollision af to fotoner. Muligheden blev teoretiseret for 80 år siden, men indtil nu havde det ikke været muligt at designe et eksperiment for at bevise det.
Fysikere ved Imperial College London har opdaget, hvordan man skaber stof ud fra lyset: en præstation, som man troede var umulig, da den først blev teoretiseret for 80 år siden .
På en enkelt dag, efter flere kaffe, på et lille kontor på Blackett Physics Laboratory fra Imperial College, udviklede tre fysikere en relativt enkel måde til fysisk at teste en teori, der oprindeligt blev udtænkt af forskere Breit og Wheeler i 1934.
Breit og Wheeler foreslog, at det skulle være muligt at konvertere lys til stof ved at kollidere to partikler af lys (fotoner) og skabe et elektron og en positron: den enkleste metode til konvertering af lys til stof, der nogensinde er forudsagt. Beregningen viste sig teoretisk fornuftig, men Breit og Wheeler sagde, at de ikke forventede, at nogen fysisk skulle bevise deres forudsigelse. Det er aldrig blevet observeret i laboratoriet og tidligere eksperimenter for at teste det krævede tilsætning af massive højenergipartikler.
Mulig praktisk test
Den nye forskning, der er offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics, viser for første gang, hvordan Breit og Wheelers teori kunne bevises i praksis . Denne "foton-foton-collider", som ville omdanne lys direkte til stof gennem en teknologi, der allerede er tilgængelig, ville være en ny type fysisk eksperiment med høj energi.
Dette eksperiment ville genskabe en proces, der var meget vigtig i de første 100 sekunder af universet, og som også ses i gamma-ray bursts, som er de største eksplosioner i universet, og et af de største uløste mysterier i fysik.
Forskere havde undersøgt fusionsenergiproblemer, der ikke var relateret til dette, da de indså, at det, de arbejdede på, kunne gælde Breit-Wheeler-teorien. Fremskridt blev opnået i samarbejde med en teoretisk fysiker fra Max Planck Institute for Nuclear Physics, fra Tyskland, der var på besøg i kejserbygningen.
Demonstration af Breit-Wheeler-teorien ville give det endelige stykke af et fysikpuslespil, der beskriver de enkleste måder til interaktion mellem lys og stof. De andre seks stykker i dette puslespil, inklusive Dirac-teorien fra 1930 om udslettelse af elektroner og positroner og Einsteins 1905 om den fotoelektriske effekt, er relateret til Nobelprisvindende forskning.
Professor Steve Rose fra fysikafdelingen ved Imperial College forklarer i pressemeddelelsen: ” På trods af alle fysikere, der accepterede, at hans teori var sand, sagde Breit og Wheeler, at de ikke forventede, at den skulle demonstreres i laboratoriet. I dag, næsten 80 år senere, beviste vi, at de havde forkert. Det, der var mest overraskende for os, var opdagelsen af, hvordan vi kan skabe stof direkte fra lys ved hjælp af teknologi, som vi har i dag i Storbritannien. Da vi er teoretikere, taler vi med mennesker, der kan bruge vores ideer til at udføre dette historiske eksperiment. ”
Relaterede artikler
Første foto af lyset, der opfører sig som bølge og korpuskel på samme tid
Mulig forklaring på stoffets oprindelse i kosmos
En 'app' til Google Glass analyserer planternes sundhed uden at skade dem
De får sammenflettede fotoner inde i en chip
De får stoppet lyset i luften
Et igangværende eksperiment
Det kolliderende eksperiment, som forskere har foreslået, involverer to hovedtrin. For det første ville forskere bruge en ekstremt kraftig laser med høj intensitet til at accelerere elektroner til lige under lysets hastighed.
Derefter fyrede de disse elektroner på en guldplade for at skabe en stråle af fotoner en milliard gange mere energisk end synligt lys.
Den næste fase af eksperimentet involverer en lille guldkapsel kaldet hohlraum ("tomt rum" på tysk). Forskerne fyrede en højenergielaser på den indre overflade af dette guldkar for at skabe et termisk strålingsfelt, der ville generere et lys svarende til det lys, der udsendes af stjernerne.
Derefter dirigerede de fotonstrålen i det første trin i eksperimentet gennem midten af kapslen og fik fotonerne fra de to kilder til at kollidere og danne elektroner og positroner. Derefter ville det være muligt at detektere dannelsen af elektroner og positroner, når de forlod kapslen.
Leadforsker Oliver Pike, der i øjeblikket afslutter sin doktorgrad i plasmafysik, tilføjer: ”Selvom teorien er begrebsmæssigt enkel, har det været meget vanskeligt at verificere eksperimentelt. Vi var i stand til at udvikle ideen til collideren meget hurtigt, men det eksperimentelle design, vi foreslår, kan udføres med relativ lethed og med eksisterende teknologi. ”
”Med bare et par timer at tænke på hohlraums-applikationer uden for deres traditionelle rolle inden for fusionsenergiforskning, blev vi forbløffet over at opdage, at det gav de perfekte betingelser for oprettelsen af en fotoncollider. Løbet om at gennemføre og afslutte eksperimentet er i gang! ”
Forskningen blev finansieret af Research Council in Engineering and Physical Sciences (EPSRC), John Adams Institute for Accelerator Science og Atomic Armament Establering (AWE), alle sammen i Det Forenede Kongerige, og blev udført i samarbejde med Max-Planck -Institut für Kernphysik, fra Tyskland.
Bibliografisk reference :
EUT Pike, F. Mackenroth, EG Hill, SJ Rose. En foton - foton collider i et vakuum hohlraum. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038 / nphoton. 2014.95
De opdager, hvordan man skaber stof fra lys
