Fyzici z Národného laboratória v Brookhavene tvrdia, že našli spôsob, ktorým pomocou urýchľovača ťažkých iónov RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) priamo dokážu pozorovať, ako do seba narazia dve častice svetla a vytvoria páry elektrónov a ich antičastíc – pozitrónov. Na tému upozornil portál ScienceAlert.

Experiment, ktorý sa nedarí uskutočniť už viac ako 80 rokov

Gregory Breit a John A. Wheeler v roku 1934 vo svojej práci teoreticky opísali dej, pri ktorom sa zrazia dva extrémne energetické fotóny, pričom vytvoria elektrón a jeho náprotivok pozitrón. Tento jav je dnes známy ako Breit-Wheelerov proces, a hoci sa do dnešných dní takúto udalosť nepodarilo priamo pozorovať, vedci neprestávajú dúfať, že sa to jedného dňa podarí.

Detektor STAR v urýchľovači RHIC. Brookhaven National Laboratory

„Kameňom úrazu“ sú technologické obmedzenia. Zatiaľ totiž nedisponujeme lasermi, ktoré by nám umožnili generovať gama fotóny. Fyzici z Národného laboratória v Brookhavene teraz v novej štúdii publikovanej v žurnále Physical Review Letters tvrdia, že našli spôsob ako tieto technologické obmedzenia obísť.

Už pred viac ako 80 rokmi si Breit a Wheeler uvedomovali, že vidieť zrážku dvoch extrémne energetických fotónov bude takmer nemožné. Navrhli však alternatívu, ktorou je urýchľovanie ťažkých iónov, a to je presne to, čo autori štúdie urobili pomocou RHIC, upozorňuje  Národné laboratórium v Brookhavene na svojom webe.

NEPREHLIADNI
Antihmota na dosah, vedci vymysleli nový spôsob, ako ju vyrobiť. Má to ale jeden háčik

Alternatívna cesta

Už podľa názvu “urýchľovač ťažkých iónov” je zrejmé, že vedci pri svojom experimente využili ťažké ióny. Konkrétne autori pracovali s iónmi zlata, ktoré obsahujú 79 protónov. Keďže ióny sú prakticky atómy zbavené elektrónov, ióny zlata niesli veľmi silný kladný náboj.

Ilustrácia znázorňuje dva ióny zlata (červená) pohybujúce sa relativistickou rýchlosťou. Keď sa tieto ióny stretnú bez toho aby sa zrazili dochádza k interakcii fotónov nachádzajúcich sa v elektromagnetickom mraku. Brookhaven National Laboratory

Ako vysvetľujú vedci, urýchľovanie takto nabitého ťažkého iónu na veľmi vysoké rýchlosti vytvorilo silné kruhové magnetické pole, ktoré sa špirálovito otáčalo okolo pohybujúcej sa častice. V prípade dostatočného zrýchlenia sa sila tohto kruhového magnetického poľa môže rovnať sile kolmého elektrického poľa. Na miestach, kde sa tieto polia pretínajú, vznikajú fotóny.

„Keď sa ióny pohybujú rýchlosťou blížiacou sa rýchlosti svetla, okolo jadra iónov zlata je veľa fotónov, ktoré s nim cestujú ako mrak,“ vysvetľuje fyzik Zhangbu Xu.

V RHIC sa ióny urýchľujú na relativistické rýchlosti, konkrétne v tomto experimente boli ióny zlata urýchlené na 99,995 % rýchlosti svetla. Takže, keď sa dva ióny pohybujúce sa oproti seba tesne minú, ich dva sprievodné oblaky fotónov môžu interagovať a zraziť sa. Hoci takáto kolízia sa sama o sebe nedá zistiť, výsledný vzniknutý pár elektrón-pozitrón je možné detegovať.

To ale nestačí. Za normálnych okolností sú totiž fotóny generované elektromagnetickou interakciou považované za virtuálne častice (v experimente sa vďaka vysokým rýchlostiam správali ako reálne), teda také, ktoré sa objavia iba na veľmi krátky čas a nemajú hmotnosť.

Na dokázanie Breit-Wheelerov procesu je potrebná zrážka dvoch skutočných fotónov, takže zrážka dvoch virtuálnych, prípadne toho reálneho s virtuálnym, sa neráta. Inými slovami, pár elektrón-pozitrón je možné vytvoriť radom procesov, vrátane zrážky virtuálnych fotónov.

Na to, aby vedci dokázali, že vzniknutý elektrón-pozitrónový pár je výsledkom zrážky skutočných fotónov, museli preskúmať uhly medzi týmito časticami, ktoré sa líšia v závislosti od toho, či do seba narazili skutočné alebo virtuálne fotóny, upozorňuje portál ScienceNews.

Pixabay

Okrem analyzovania a merania uhlov zmerali aj všetku energiu, distribúciu hmotnosti a kvantové čísla systémov pre viac ako 6000 elektrón-pozitrónových párov generovaných počas experimentu. Ukázalo sa, že uhly, ale i ostatné vlastnosti, sú v súlade s teoretickými výpočtami toho, čo by sa malo stať so skutočnými fotónmi v Breit-Wheelerovom procese (technicky ide v experimente stále o virtuálné fotóny, i keď sa správajú ako skutočné).

Podľa jedného z autorov štúdie, Daniela Brandenburga, ide o “jasný dôkaz priameho, jednokrokového vytvorenia párov hmoty a antihmoty z kolízie svetla ako pôvodne predpovedali Breit a Wheeler”.

Stále sa však dá tvrdiť, že prvú priamu detekciu Breit-Wheelerovho procesu budeme mať v momente, keď sa nám podarí zraziť gama fotóny, ktoré sú najenergickejšou vlnovou dĺžkou svetla. Napriek tomu, že stále nejde o Breit-Wheelerovho proces v tom pravom zmysle slova, práca je veľmi presvedčivá a ukazuje, že „klopeme na tie správne dvere“.