Alai

In laserinstallaties in het Verenigd Koninkrijk testen natuurkundigen van het Imperial een 84 jaar oude theorie waarvan men ooit dacht dat die onmogelijk te bewijzen was.

De theorie van het Breit-Wheeler-proces zegt dat het mogelijk zou moeten zijn om licht in materie te veranderen door twee lichtdeeltjes (fotonen) samen te smelten en zo een elektron en een positron te creëren. Pogingen in het verleden om dit te doen, vereisten echter de toevoeging van andere hoogenergetische deeltjes.

Fysici van het Imperial College London, onder leiding van professor Steven Rose, kwamen in 2014 met een manier om de theorie te testen die niet afhankelijk was van deze toegevoegde extra’s, en vandaag loopt er een experiment in de hoop voor het eerst licht rechtstreeks in materie te kunnen veranderen.

Professor Rose zei: “Dit zou een pure demonstratie zijn van Einsteins beroemde vergelijking die energie en massa met elkaar in verband brengt: E=mc2, die ons vertelt hoeveel energie er wordt geproduceerd wanneer materie in energie wordt omgezet. Wat wij doen is hetzelfde, maar dan omgekeerd: fotonenergie omzetten in massa, d.w.z. m=E/c2.”

Het systeem bestaat uit twee laserstralen met een hoog vermogen, die worden gebruikt om de fotonen van licht te maken die worden samengebroken. Een van de fotonen heeft ongeveer 1000 maal de energie van fotonen die zichtbaar licht produceren, en de andere heeft 1.000.000.000 maal de energie.

De laserstralen worden gericht op twee afzonderlijke kleine doelen binnen een doelkamer, die complexe optica bevat die wordt gebruikt om de laserstralen te richten en magneten die worden gebruikt om de geladen deeltjes af te buigen. Het zijn de geladen positronen die van de botsing afkomen waarnaar het team zal zoeken om te bevestigen of het proces een succes was.

Het team, geleid door Dr. Stuart Mangles en Professor Rose, zocht over de hele wereld naar een geschikt lasersysteem, maar vond het meest geschikte dicht bij huis: de Gemini-laser in de Central Laser Facility van het STFC Rutherford Appleton Laboratory in de buurt van Oxford.

Als ze succes hebben, zullen ze positronen detecteren, maar ze zullen een zorgvuldige analyse van de gegevens moeten uitvoeren voordat kan worden bevestigd dat die positronen afkomstig zijn van het Breit-Wheeler-proces en niet van andere achtergrondprocessen, waarmee het succes van het omzetten van licht in materie wordt bewezen.

Dr. Mangles zei: “Toen Gregory Breit en John Wheeler het mechanisme in 1934 voor het eerst voorstelden, maakten zij gebruik van de toen nieuwe theorie over de wisselwerking tussen licht en materie die bekend staat als kwantum-elektrodynamica (QED). Terwijl elke andere fundamentele voorspelling van QED sindsdien experimenteel is aangetoond, is het ’twee-foton Breit-Wheeler proces’ nog nooit waargenomen.

“Als we het nu kunnen aantonen, zouden we een proces herscheppen dat belangrijk was in de eerste 100 seconden van het heelal en dat ook wordt gezien in gammastraaluitbarstingen, die de grootste explosies in het heelal zijn en een van de grootste onopgeloste mysteries van de natuurkunde.”

Een deel van de detectoren die het team zal gebruiken, is afkomstig van CERN, en het team hoopt een netwerk van scholieren te gebruiken om hen te helpen de gegevens te analyseren via het Institute for Research in Schools, waarvan professor Rose een van de oprichters was.