Anyagot hoztak létre fényből

Einstein híres egyenlete szerint egy test energiája egyenesen arányos a tömege és a fénysebesség négyzetének szorzatával. E gondolatmenetet megfordítva két amerikai fizikus, Gregory Breit és John Wheeler 1934-ben levezette, hogy anyagot hozhatnának létre kellően magas energiájú fotonok ütköztetésével.

Egy ilyen ütközés előállításához nagy energiájú gamma-sugarakra lenne szükség, de gamma-lézerek egyelőre nem léteznek.

A New York-i Brookhaven laboratórium munkatársainak azonban sikerült megkerülniük ezt a problémát. Breit és Wheeler kilencvenéves dolgozatában belátta, hogy anyagot gamma-sugarakkal előállítani reménytelenül nehéz (lézerek nem is léteztek ekkor), ezért nehéz ionok gyorsítását javasolták. A Brookhaven Lab részecskegyorsítójában pontosan ezt tették.

Einsteinnek igaza volt, sőt Breitnek és Wheelernek is

Fényrészecskék ütköztetése helyett két, elektronjaitól megfosztott aranyatommagot, vagyis iont gyorsítottak a fénysebesség 99,995 azázalékára. Az egymással szemben körpályán gyorsuló ionok körül elektromágneses mező alakul ki, amelyben úgynevezett virtuális fotonok jelennek meg és tűnnek el.

A virtuális fotonok az ionnal haladnak, mint egy felhő

– magyarázza a Brookhaven Lab fizikusa, Hszu Csangbu.

Az egymás közelében elhaladó ionok körüli, kérészéletű virtuális fotonok (amik a valódi fotonokkal szemben tömeggel is rendelkeznek) a megfelelő pillanatban egymásnak csapódva nagyon is valódi elektronokat és antianyagpárjukat, pozitronokat hoztak létre.

A kutatóknak már csak azt kellett igazolniuk, hogy a létrejövő részecskék ténylegesen a Breit–Wheeler-féle folyamat eredményei. Ehhez bizonyítaniuk kellett, hogy a virtuális fotonok úgy viselkedtek, mint a valódi fotonok. Több mint 6000 ütközés adataiból elemezték a keletkező részecskék szóródási szögét – mivel ezek megegyeztek egy valódi ütközésben létrejövő részecskék szögeivel –, és igazolást nyert, hogy valódi kölcsönhatás történt.

A virtuális fotonok mindezek ellenére virtuálisak voltak, ezért még felmerülhetnek kételyek, hogy valóban a Breit–Wheeler-féle folyamat következett-e be a gyorsítóban. A biztosan anyagot teremtő fényütközéshez szükséges szupererős lézerekre még egy kicsit várni kell.

Kettős törés

Hszu Csangbu kollégái az anyagot létrehozó kísérlet közben megfigyeltek egy másik jelenséget is: a kettős törést. A jelenség elméleti alapjait Werner Heisenberg és Hans Heinrich Euler 1936-ban és John Toll írta le az 1950-es években. Lényege, hogy megfelelően erős mágneses tér vákuumban is képes eltéríteni és polarizált nyalábokra osztani a fényt. 

A polarizáltságtól függő törést eddig csak kristályokban figyelték meg, illetve a legutóbbi eredmények szerint egy neutroncsillag fényében.

A hétköznapi életben a polarizált lencséjű napszemüveg csak a megfelelő szögű fotonokat engedi át, a többit elnyeli – a fény elnyelődését pedig a napszemüveg hőmérsékletének emelkedése bizonyítja. A részecskegyorsítóban a fényenergia elnyelődése hozta létre az elektron-pozitron párokat. A mérések szerint az elnyelődés viszont az ionok közelében is polarizációtól függött, ezért a kutatók szerint az ionok mágneses terében kettős törést kaptak a virtuális fotonok, amit először sikerült a világon kísérleti körülmények között megfigyelni.

(Brookhaven National Laboratory, Interesting Engineering, Live Science, Universe Today, Wikipedia)