Используя моделирование, исследователи предполагают, что в лабораторных условиях можно производить материю с помощью одних только лазеров. В частности, мощность лазеров, которыми мы располагаем в настоящее время, позволила бы получить условия, способствующие фотон-фотонным столкновениям — фундаментальному механизму, с помощью которого во Вселенной образуется материя. Будущие эксперименты, проведенные в результате этого исследования, потенциально могут помочь проверить различные теории, касающиеся состава Вселенной.
В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна, согласно которому энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света (E=mc2), материя может генерироваться исключительно из света. Этого можно было бы достичь путем фотон-фотонных столкновений, при которых ионы металлов (например, золота) разгонялись бы до очень высоких скоростей. Ускорение позволит этим ионам «обволакиваться» фотонами, которые, сталкиваясь, будут порождать материю и антиматерию, как это происходило во время Большого взрыва.
Хотя это явление уже наблюдалось в пульсарах, его никогда не проводили в лаборатории из-за чрезвычайно высокой мощности лазеров. Однако исследователи из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего предполагают, что это можно сделать с помощью удивительно простой конфигурации и имеющихся в настоящее время лазеров. Их моделирование, проведенное в рамках нового исследования, опубликованного в журнале , показывает, что можно проводить фотон-фотонные столкновения с уже полученными лазерными интенсивностями.
Проще проводить эксперименты
Моделирование в новом исследовании показало, что при взаимодействии с интенсивным электромагнитным полем, создаваемым лазером, плазма (т.е. ионизированный газ) может самоорганизоваться и сформировать фотонный коллайдер. При этом будут генерироваться интенсивные гамма-лучи, плотность которых в 10 раз превышает плотность электронов в исходной плазме. Их энергия также будет в миллион раз больше, чем у лазерных фотонов.
Фотоны сталкиваются, образуя пары электронов и позитронов (или антиэлектронов). Затем позитроны будут ускорены электрическим полем плазмы, что приведет к появлению пучка позитронов в гигаэлектронвольтном диапазоне. Другими словами, в качестве ускорителя позитронов будет выступать поле плазмы, а не лазер. Это позволяет предположить, что весь процесс в конечном итоге может привести к образованию материи и антиматерии, в частности субатомных частиц, из которых они состоят.
Протокол моделирования, изученный в данной работе, основан на линейном процессе Брайта-Уилера или двухфотонном процессе. «Это первое моделирование ускорения позитронов с помощью линейного процесса Брайта-Уилера в релятивистских условиях«, — поясняет в пресс-релизе соавтор исследования А. Арефьев из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Процесс Брейта-Уилера — это физический процесс, в котором позитронно-электронная пара создается в результате столкновения двух фотонов. Помимо прочего, это простейший механизм, с помощью которого чистый свет может быть превращен в материю. В линейном процессе Брейта-Уилера аннигиляция энергичных гамма-лучей (то есть преобразование их массы в энергию) приводит к образованию электрон-позитронных пар. Кроме того, если для нелинейного процесса потребуется интенсивность лазерного излучения, превышающая 1023 Вт на квадратный сантиметр, то для двухфотонного процесса такая интенсивность не нужна, поскольку он в большей степени зависит от плотности гамма-излучения.
Использование экспериментально реалистичных (т.е. относительно скромных) интенсивностей лазера может облегчить экспериментальную реализацию процесса образования материи. «Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и с нетерпением ждем его реализации в реальном мире«, — говорит Вячеслав Лукин, директор программы Национального научного фонда США, который поддержал работу. В конечном итоге эксперименты могут помочь проверить давно существующие теории, например теорию темной материи, а возможно, и открыть новые физические явления.