Физики из Имперского колледжа в Лондоне готовятcя провести уникальные эксперименты, направленные на подтверждение теории, сформулированной в 1984 году. Данная теория, известная специалистам как процесс Брейта-Уилера, постулирует абсолютно удивительную возможность преобразования световой энергии в вещество: согласно ей, столкновение двух фотонов должно приводить к образованию пары электрон-позитрон. Хотя аналогичные опыты уже проводились и электронно-позитронные пары были получены, в тех исследованиях помимо фотонов света использовались также высокоэнергетические элементарные частицы других типов. Данный предстоящий эксперимент станет первой чистой демонстрацией знаменитого уравнения Эйнштейна, связывающего энергию и массу, E=mc2.
Это уравнение определяет, сколько энергии выделится при превращении материи в энергию” – рассказывает профессор Стивен Роуз (Professor Steven Rose), – “То, что мы планируем сделать, является обратным вариантом, мы превратим энергию фотонов в массу элементарных частиц, m=E/c^2”.
В экспериментальной системе используются два мощных лазера, которые будут излучать фотоны света, которые столкнутся и породят материю. Фотоны, излученные одним лазером, будут иметь энергию, в 1 000 раз превышающую энергию фотонов света видимого диапазона. А энергия фотонов второго лазера будет превышать энергию обычных фотонов в 1 000 000 000 раз.
Лучи обоих лазеров будут сфокусированы на крошечной мишени, находящейся внутри вакуумной камеры, В этой камере будет располагаться сложная оптическая система и мощные магниты, которые служат для разделения и отклонения потоков заряженных частиц, электронов и позитронов в данном случае. А успехом данного эксперимента станет регистрация потока позитронов, что будет говорить об успехе преобразования света в материю.
В качестве источника высокоэнергетических фотонов будет выступать лазер Gemini, находящийся в исследовательском центре STFC Rutherford Appleton Laboratory’s Central Laser Facility, находящемся неподалеку от Оксфорда. Для регистрации явлений и сбора данных будут использованы различные датчики, большую часть из которых предоставит исследователям Европейская организация ядерных исследований CERN. Если ученым удастся зарегистрировать поток позитронов, им после этого придется провести самый тщательный анализ всех полученных данных и подтвердить, что позитроны были порождены именно процессом Брейта-Уилера, а не каким-либо другим процессом.
“Когда Грегори Брейт и Джон Уиллер выдвинули свою теорию, они использовали в качестве базы теорию взаимодействия между светом и материей, называемую квантовой электродинамикой (quantum electrodynamics, QED)” – рассказывает профессор Роуз, – “С тех пор была получена масса экспериментальных подтверждений теории QED, однако, процесс Брейта-Уилера, в котором принимают участие только два фотона света, не был ни разу реализован на практике”.
“Если наш эксперимент будет проведен удачно, то мы воспроизведем процесс, который действовал в первые 100 секунд после момента рождения Вселенной в Большом Взрыве. На успех этого предприятия нам позволяют надеяться некоторые явления, зафиксированные учеными во время так называемых гамма-вспышек, которые порождаются самыми мощными взрывами во Вселенной, и которые являются одной из неразрешенных загадок современной физики”.
Российские опыт
Российские ученые под руководством доктора физико-математических наук Александра Соловьева работают над созданием экзаваттного лазера экстремальной мощности. Одна из главных задач проекта — экспериментально подтвердить эффект рождения вещества из вакуума под действием света.
Основой для прорывных экспериментов станет лазерная система PEARL (петаваттный параметрический лазер), созданная в РФ еще в 2007 году. Она остается мощнейшей в стране и одной из самых сильных в мире. Именно ее конфигурация предопределила архитектуру многих современных лазерных установок сверхвысокой мощности.
Главный недостаток традиционных ускорителей частиц (синхротронов) — их размеры, достигающие десятков километров из-за ограничений по пробойному напряжению. Лазерно-плазменные ускорители лишены этого недостатка: плазма не боится пробоя, что позволяет создавать поля в тысячи раз сильнее, а размеры установки — сокращать в тысячи раз, делая ее компактной и доступной для обычных лабораторий.
Следующий этап — проект класса «мегасайенс» XCELS (Центр исследований экстремальных световых полей). Установка будет состоять из 12 каналов мощностью 50 петаватт каждый. Благодаря когерентному сложению этих каналов ученые надеются создать идеальную сферическую электромагнитную волну.
Ожидается, что в фокусе такой волны электрическое поле достигнет значений, при которых пространство и время начнут менять свои свойства. Как следствие, из физического вакуума начнут рождаться электрон-позитронные пары, то есть произойдет прямая трансформация лазерной энергии в материю.
Александр Соловьев занимается двумя ключевыми задачами в рамках XCELS. Первая — разработка системы фокусировки с синхронизацией до долей фемтосекунды и точностью совмещения до нанометров. Вторая — интеграция дополнительного высокочастотного канала «Мультитера» мощностью не менее 20 тераватт для прикладных исследований.
Разрабатываемые технологии уже находят применение в медицине и промышленности. Лазерно-плазменное ускорение частиц позволяет создавать компактные источники рентгеновского излучения. Они могут использоваться для диагностики и лечения онкологических заболеваний, а также для промышленной интроскопии объектов.
