Forskare som studerar partikelkollisioner vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – en användaranläggning för kärnfysikforskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory hos US Department of Energy Office of Science – har tagit fram definitiva bevis för två fysikfenomen som förutspåddes för mer än 80 år sedan. Resultaten härleddes från en detaljerad analys av mer än 6, 000 par elektroner och positroner som produceras i blickpartikelkollisioner vid RHIC och publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Den primära upptäckten är att par av elektroner och positroner - partiklar av materia och antimateria - kan skapas direkt genom att kollidera med mycket energiska fotoner, som är kvant "paket" av ljus. Denna omvandling av energiskt ljus till materia är en direkt följd av Einsteins berömda E=mc2-ekvation, som säger att energi och materia (eller massa) är utbytbara. Kärnreaktioner i solen och vid kärnkraftverk omvandlar regelbundet materia till energi. Nu har forskare omvandlat ljusenergi direkt till materia i ett enda steg.

Det andra resultatet visar att ljusets väg som färdas genom ett magnetfält i ett vakuum böjs olika beroende på hur ljuset är polariserat. Sådan polarisationsberoende avböjning (känd som dubbelbrytning) uppstår när ljus färdas genom vissa material. (Denna effekt liknar hur våglängdsberoende avböjning delar upp vitt ljus i regnbågar.) Men detta är den första demonstrationen av polarisationsberoende ljusböjning i ett vakuum.

Båda resultaten beror på förmågan hos RHIC:s STAR-detektor - Solenoid Tracker vid RHIC - att mäta vinkelfördelningen av partiklar som produceras i blickkollisioner av guldjoner som rör sig med nästan ljusets hastighet.

Kolliderande moln av fotoner

Sådana förmågor fanns inte när fysikerna Gregory Breit och John A. Wheeler först beskrev den hypotetiska möjligheten att kollidera ljuspartiklar för att skapa elektronpar och deras antimateriamotsvarigheter, kända som positroner, år 1934.

"I deras tidning, Breit och Wheeler har redan insett att detta är nästan omöjligt att göra, " sa Brookhaven Lab-fysiker Zhangbu Xu, medlem i RHIC:s STAR Collaboration. "Lasrar existerade inte ens än! Men Breit och Wheeler föreslog ett alternativ:att accelerera tunga joner. Och deras alternativ är precis vad vi gör på RHIC."

En jon är i huvudsak en naken atom, fråntagen sina elektroner. En guldjon, med 79 protoner, bär en kraftfull positiv laddning. Att accelerera en sådan laddad tung jon till mycket höga hastigheter genererar ett kraftfullt magnetfält som spiralerar runt partikeln i spiral när den färdas - som ström som flyter genom en tråd.

"Om hastigheten är tillräckligt hög, styrkan hos det cirkulära magnetfältet kan vara lika med styrkan hos det vinkelräta elektriska fältet, " Sa Xu. Och det arrangemanget av vinkelräta elektriska och magnetiska fält med samma styrka är precis vad en foton är - en kvantiserad "partikel" av ljus. "Så, när jonerna rör sig nära ljusets hastighet, det finns ett gäng fotoner som omger guldkärnan, reser med den som ett moln."

På RHIC, forskare accelererar guldjoner till 99,995 % av ljusets hastighet i två acceleratorringar.

"Vi har två moln av fotoner som rör sig i motsatta riktningar med tillräckligt med energi och intensitet för att när de två jonerna betar förbi varandra utan att kollidera, dessa fotonfält kan interagera, " sa Xu.

STAR-fysiker spårade interaktionerna och letade efter de förutspådda elektron-positronparen.

Men sådana partikelpar kan skapas genom en rad processer vid RHIC, inklusive genom "virtuella" fotoner, ett fotontillstånd som existerar kort och bär en effektiv massa. För att vara säker på att materia-antimateria-paren kom från riktiga fotoner, forskare måste visa att bidraget från "virtuella" fotoner inte förändrar resultatet av experimentet.

Att göra det, STAR-forskarna analyserade vinkelfördelningsmönstren för varje elektron i förhållande till dess partnerpositron. Dessa mönster skiljer sig för par som produceras av verkliga fotoninteraktioner jämfört med virtuella fotoner.

"Vi mätte också all energi, massfördelningar, och kvantantal för systemen. De överensstämmer med teoriberäkningar för vad som skulle hända med riktiga fotoner, sa Daniel Brandenburg, en Goldhaber Fellow vid Brookhaven Lab, som analyserade STAR-data om denna upptäckt.

Andra forskare har försökt skapa elektron-positronpar från kollisioner av ljus med hjälp av kraftfulla lasrar – fokuserade strålar av intensivt ljus. Men de individuella fotonerna i dessa intensiva strålar har inte tillräckligt med energi ännu, sa Brandenburg.

Ett experiment vid SLAC National Accelerator Laboratory 1997 lyckades genom att använda en olinjär process. Forskare där var först tvungna att öka energin hos fotonerna i en laserstråle genom att kollidera med en kraftfull elektronstråle. Kollisioner av förstärkta fotoner med flera fotoner samtidigt i ett enormt elektromagnetiskt fält skapat av en annan laser producerade materia och antimateria.

"Våra resultat ger tydliga bevis på direkt, skapande i ett steg av materia-antimateria-par från kollisioner av ljus som ursprungligen förutspåddes av Breit och Wheeler, ", sa Brandenburg. "Tack vare RHIC:s högenergiska tunga jonstråle och STAR-detektorns stora acceptans och precisionsmätningar, vi kan analysera alla kinematiska fördelningar med hög statistik för att fastställa att de experimentella resultaten verkligen överensstämmer med verkliga fotonkollisioner."

Böjande ljus i vakuum

STAR:s förmåga att mäta de små avböjningarna av elektroner och positroner som produceras nästan rygg mot rygg i dessa händelser gav också fysikerna ett sätt att studera hur ljuspartiklar interagerar med de kraftfulla magnetfält som genereras av de accelererade jonerna.

"Monet av fotoner som omger guldjonerna i en av RHICs strålar skjuter in i det starka cirkulära magnetfältet som produceras av de accelererade jonerna i den andra guldstrålen, sa Chi Yang, en mångårig STAR-samarbetspartner från Shandong University som tillbringade hela sin karriär med att studera elektron-positronpar framställda från olika processer vid RHIC. "Att titta på fördelningen av partiklar som kommer ut berättar hur polariserat ljus interagerar med magnetfältet."

Werner Heisenberg och Hans Heinrich Euler 1936, och John Toll på 1950-talet, förutspådde att ett tomrumsvakuum kunde polariseras av ett kraftfullt magnetfält och att ett sådant polariserat vakuum skulle avleda fotonernas vägar beroende på fotonpolarisering. Vägtull, i sin avhandling, också detaljerat hur ljusabsorption av ett magnetfält beror på polarisation och dess koppling till ljusets brytningsindex i ett vakuum. Denna polarisationsberoende avböjning, eller dubbelbrytning, har observerats i många typer av kristaller. Det fanns också en ny rapport om ljuset som kommer från en neutronstjärna som böjer sig så här, förmodligen på grund av dess interaktioner med stjärnans magnetfält. Men inget jordbaserat experiment har upptäckt dubbelbrytning i ett vakuum.

På RHIC, forskarna mätte hur polariseringen av ljuset påverkade om ljuset "absorberades" av magnetfältet.

Detta liknar hur polariserade solglasögon blockerar vissa strålar från att passera om de inte matchar polariseringen av linserna, Yang förklarade. När det gäller solglasögonen, förutom att se mindre ljus komma igenom, du kunde, i princip, mäta en ökning av temperaturen på linsmaterialet då det absorberar energin från det blockerade ljuset. På RHIC, den absorberade ljusenergin är det som skapar elektron-positronparen.

"När vi tittar på produkterna som produceras av foton-foton-interaktioner på RHIC, vi ser att vinkelfördelningen av produkterna beror på vinkeln på ljusets polarisering. Detta indikerar att absorptionen (eller passerandet) av ljus beror på dess polarisering, " sa Yang.

Detta är den första jordbaserade experimentella observationen att polarisation påverkar ljusets interaktioner med magnetfältet i vakuumet - vakuumdubbelbrytningen som förutspåddes 1936.

"Båda dessa fynd bygger på förutsägelser som gjordes av några av de stora fysikerna i början av 1900-talet, sa Frank Geurts, professor vid Rice University, vars team byggde och drev de toppmoderna "Time-of-Flight"-detektorkomponenterna från STAR som var nödvändiga för denna mätning. "De är baserade på fundamentala mätningar som gjorts möjliga först nyligen med de teknologier och analystekniker vi har utvecklat på RHIC."