Wetenschappers die deeltjesbotsingen bestuderen bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek aan het Brookhaven National Laboratory van DOE - hebben definitief bewijs geleverd voor twee natuurkundige fenomenen die meer dan 80 jaar geleden werden voorspeld. De resultaten zijn afgeleid van een gedetailleerde analyse van meer dan 6, 000 paren elektronen en positronen geproduceerd bij het bekijken van deeltjesbotsingen bij RHIC en zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

De belangrijkste bevinding is dat paren van elektronen en positronen - deeltjes van materie en antimaterie - direct kunnen worden gecreëerd door zeer energetische fotonen te laten botsen, die kwantum "pakketten" van licht zijn. Deze omzetting van energetisch licht in materie is een direct gevolg van Einsteins beroemde E=mc2-vergelijking, waarin staat dat energie en materie (of massa) uitwisselbaar zijn. Kernreacties in de zon en bij kerncentrales zetten regelmatig materie om in energie. Nu hebben wetenschappers lichtenergie in één stap direct omgezet in materie.

Het tweede resultaat laat zien dat het pad van licht dat door een magnetisch veld in een vacuüm reist, anders afbuigt, afhankelijk van hoe dat licht is gepolariseerd. Een dergelijke polarisatieafhankelijke afbuiging (bekend als dubbele breking) treedt op wanneer licht door bepaalde materialen reist. (Dit effect is vergelijkbaar met de manier waarop golflengte-afhankelijke afbuiging wit licht in regenbogen splitst.) Maar dit is de eerste demonstratie van polarisatie-afhankelijke lichtbuiging in een vacuüm.

Beide resultaten zijn afhankelijk van het vermogen van RHIC's STAR-detector - de Solenoid Tracker bij RHIC - om de hoekverdeling te meten van deeltjes die worden geproduceerd bij flitsende botsingen van goudionen die bewegen met bijna de snelheid van het licht.

Botsende wolken van fotonen

Dergelijke mogelijkheden bestonden niet toen natuurkundigen Gregory Breit en John A. Wheeler voor het eerst de hypothetische mogelijkheid beschreven om lichtdeeltjes te laten botsen om elektronenparen en hun antimaterie-tegenhangers te creëren. bekend als positronen, in 1934.

"In hun krant Breit en Wheeler realiseerden zich al dat dit bijna onmogelijk is, " zei Brookhaven Lab-natuurkundige Zhangbu Xu, een lid van RHIC's STAR-samenwerking. "Lasers bestonden nog niet eens! Maar Breit en Wheeler stelden een alternatief voor:het versnellen van zware ionen. En hun alternatief is precies wat we bij RHIC doen."

Een ion is in wezen een naakt atoom, ontdaan van zijn elektronen. Een gouden ion, met 79 protonen, draagt ​​een krachtige positieve lading. Door zo'n geladen zwaar ion tot zeer hoge snelheden te versnellen, wordt een krachtig magnetisch veld gegenereerd dat rond het zich voortbewegende deeltje spiraliseert - zoals een stroom die door een draad vloeit.

"Als de snelheid hoog genoeg is, de sterkte van het cirkelvormige magnetische veld kan gelijk zijn aan de sterkte van het loodrechte elektrische veld, "Zei Xu. En die rangschikking van loodrechte elektrische en magnetische velden van gelijke sterkte is precies wat een foton is - een gekwantiseerd "deeltje" van licht. "Dus, wanneer de ionen dicht bij de lichtsnelheid bewegen, er zijn een aantal fotonen rond de gouden kern, ermee reizen als een wolk."

Bij RHIC, wetenschappers versnellen goudionen tot 99,995% van de lichtsnelheid in twee versnellerringen.

"We hebben twee wolken van fotonen die in tegengestelde richting bewegen met voldoende energie en intensiteit dat wanneer de twee ionen langs elkaar grazen zonder te botsen, die fotonvelden kunnen interageren, ' zei Xu.

STAR-natuurkundigen volgden de interacties en zochten naar de voorspelde elektron-positronparen.

Maar dergelijke deeltjesparen kunnen worden gecreëerd door een reeks processen bij RHIC, onder meer door middel van "virtuele" fotonen, een toestand van foton die kort bestaat en een effectieve massa draagt. Om er zeker van te zijn dat de materie-antimaterie-paren van echte fotonen kwamen, wetenschappers moeten aantonen dat de bijdrage van "virtuele" fotonen de uitkomst van het experiment niet verandert.

Om dat te doen, de STAR-wetenschappers analyseerden de hoekverdelingspatronen van elk elektron ten opzichte van zijn partnerpositron. Deze patronen verschillen voor paren geproduceerd door echte foton-interacties versus virtuele fotonen.

"We hebben ook alle energie gemeten, massa distributies, en kwantumgetallen van de systemen. Ze zijn consistent met theoretische berekeningen voor wat er zou gebeuren met echte fotonen, zei Daniël Brandenburg, een Goldhaber Fellow bij Brookhaven Lab, die de STAR-gegevens over deze ontdekking heeft geanalyseerd.

Andere wetenschappers hebben geprobeerd elektron-positron-paren te creëren uit botsingen van licht met behulp van krachtige lasers - gefocuste bundels van intens licht. Maar de individuele fotonen in die intense stralen hebben nog niet genoeg energie, aldus Brandenburg.

Een experiment in het SLAC National Accelerator Laboratory in 1997 slaagde door een niet-lineair proces te gebruiken. Daar moesten wetenschappers eerst de energie van de fotonen in één laserstraal opvoeren door deze te laten botsen met een krachtige elektronenstraal. Botsingen van de versterkte fotonen met meerdere fotonen tegelijk in een enorm elektromagnetisch veld gecreëerd door een andere laser produceerden materie en antimaterie.

"Onze resultaten leveren duidelijk bewijs van directe, eenstaps creatie van materie-antimaterie-paren uit botsingen van licht zoals oorspronkelijk voorspeld door Breit en Wheeler, Brandenburg zei. "Dankzij RHIC's hoogenergetische zware ionenbundel en de grote acceptatie- en precisiemetingen van de STAR-detector, we zijn in staat om alle kinematische distributies met hoge statistieken te analyseren om te bepalen dat de experimentele resultaten inderdaad consistent zijn met echte fotonbotsingen."

Licht buigen in een vacuüm

Het vermogen van STAR om de kleine afbuigingen van elektronen en positronen te meten die bij deze gebeurtenissen bijna back-to-back werden geproduceerd, gaf de natuurkundigen ook een manier om te bestuderen hoe lichtdeeltjes interageren met de krachtige magnetische velden die worden gegenereerd door de versnelde ionen.

"De wolk van fotonen die de goudionen in een van RHIC's bundels omringt, schiet in het sterke cirkelvormige magnetische veld dat wordt geproduceerd door de versnelde ionen in de andere goudbundel, " zei Chi Yang, een lange tijd STAR-medewerker van de Shandong University die zijn hele carrière besteedde aan het bestuderen van elektron-positronparen geproduceerd uit verschillende processen bij RHIC. "Kijkend naar de verdeling van deeltjes die naar buiten komen, vertelt ons hoe gepolariseerd licht interageert met het magnetische veld."

Werner Heisenberg en Hans Heinrich Euler in 1936, en John Toll in de jaren vijftig, voorspelde dat een vacuüm van lege ruimte zou kunnen worden gepolariseerd door een krachtig magnetisch veld en dat een dergelijk gepolariseerd vacuüm de paden van fotonen zou afbuigen, afhankelijk van de fotonpolarisatie. Tol, in zijn proefschrift, ook gedetailleerd hoe lichtabsorptie door een magnetisch veld afhangt van polarisatie en de verbinding met de brekingsindex van licht in een vacuüm. Deze polarisatie-afhankelijke afbuiging, of dubbele breking, is waargenomen in vele soorten kristallen. Er was ook een recent verslag van het licht afkomstig van een neutronenster die deze kant op buigt, vermoedelijk vanwege de interacties met het magnetische veld van de ster. Maar geen enkel op aarde gebaseerd experiment heeft dubbele breking in een vacuüm gedetecteerd.

Bij RHIC, de wetenschappers maten hoe de polarisatie van het licht van invloed was op de vraag of het licht werd "geabsorbeerd" door het magnetische veld.

Dit is vergelijkbaar met de manier waarop gepolariseerde zonnebrillen bepaalde stralen blokkeren als ze niet overeenkomen met de polarisatie van de lenzen, legde Yang uit. In het geval van de zonnebril, behalve dat er minder licht doorkomt, je zou kunnen, in principe, meet een toename van de temperatuur van het lensmateriaal omdat het de energie van het geblokkeerde licht absorbeert. Bij RHIC, de geabsorbeerde lichtenergie is wat de elektron-positronparen creëert.

"Als we kijken naar de producten die worden geproduceerd door foton-foton-interacties bij RHIC, we zien dat de hoekverdeling van de producten afhangt van de hoek van de polarisatie van het licht. Dit geeft aan dat de absorptie (of het passeren) van licht afhangt van de polarisatie, ' zei Yang.

Dit is de eerste op aarde gebaseerde experimentele waarneming dat polarisatie de interacties van licht met het magnetische veld in het vacuüm beïnvloedt - de vacuüm dubbele breking voorspeld in 1936.

"Beide bevindingen bouwen voort op voorspellingen van enkele van de grote natuurkundigen in het begin van de 20e eeuw, zei Frank Geurts, een professor aan de Rice University, wiens team de ultramoderne "Time-of-Flight"-detectorcomponenten van STAR heeft gebouwd en bediend die nodig waren voor deze meting. "Ze zijn gebaseerd op fundamentele metingen die pas recent mogelijk zijn gemaakt met de technologieën en analysetechnieken die we bij RHIC hebben ontwikkeld."