Нове дослідження вчених продемонструвало, як зі світла виникає антиматерія. Група фізиків показала, що високоінтенсивні лазери можуть бути використані для генерації зіштовхуваних гамма-фотонів - найенергійніших довжин хвиль світла - для отримання електрон-позитронних пар.
Стверджується, що тепер ми можемо розібратися у фізичній природі найбільш екстремальних об'єктів Всесвіту - нейтронних зірок.
Створення пари частинок матерії-антиматерії - електрона і позитрона - з фотонів називається процесом Брайта-Віллера, і його надзвичайно важко здійснити експериментально.
Імовірність того, що він відбудеться під час зіткнення двох фотонів, дуже мала. Щоб максимально збільшити шанси спостереження, потрібні фотони дуже високої енергії, або гамма-промені, коротше, багато фотонів.
У нас поки що немає можливості побудувати гамма-лазер, тому фотон-фотонний процес Брайта-Віллера наразі залишається експериментально недосяжним. Але група фізиків під керівництвом Ютонга Хе з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго запропонувала новий обхідний шлях, який, згідно з їхнім моделюванням, є робочим.
Він складається з пластикового блоку, на якому вирізано візерунок із пересічних каналів мікрометрового діапазону. Два потужні лазери, по одному з кожного боку блоку, обстрілюють цю ціль сильними імпульсами.
"Коли лазерні імпульси проникають у зразок, кожен із них прискорює хмару надзвичайно швидких електронів", - каже фізик Тома Тончіан із дослідницької лабораторії Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf у Німеччині.
"Потім ці дві електронні хмари спрямовуються одна до одної з повною силою, взаємодіючи з лазером, що поширюється в протилежному напрямку".
Результуюче зіткнення настільки енергійне, що породжує хмару гамма-фотонів. Такі гамма-фотони, за ідеєю, повинні зіткнутися один з одним і створити електрон-позитронні пари, кажуть дослідники. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, природно.
Що ще цікавіше, сам процес теоретично породжує потужні магнітні поля, які групують позитрони (а не електрони) в сильно прискорені струменеві пучки. На відстані всього 50 мікрометрів, як виявили дослідники, прискорення має збільшити енергію частинок до одного гігаелектронвольта.
Використовуючи складне комп'ютерне моделювання, фізики перевірили свою модель і виявили, що вона має працювати навіть за використання менш потужних лазерів, ніж думали раніше.
Колімація і прискорення позитронного пучка не тільки поліпшить швидкість виявлення частинок, а й посприяє виявленню частинок, що випускаються сильно намагніченими пульсарами, які швидко обертаються.
Фізики вважають, що процеси, які відбуваються поблизу нейтронних зірок і пульсарів, призводять до утворення хмар гамма-випромінювання, аналогічного експериментальному.
"Такі процеси, ймовірно, відбуваються, зокрема, в магнітосфері пульсарів", - каже фізик Олексій Ареф'єв з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.
"За допомогою нашої нової концепції такі явища можуть бути змодельовані в лабораторії, принаймні, певною мірою, що дасть нам змогу краще зрозуміти їх".
Попередні випробування на європейській рентгенівській лазерній установці XFEL мають показати, чи генерується магнітне поле, як передбачає моделювання.
Зрештою, команда сподівається, що їхній експеримент пройде на нещодавно відкритій установці з ядерної фізики Extreme Light Infrastructure в Румунії, яка має два потужні короткоімпульсні лазери.
