av Hayley Dunning , Imperial College London
I laseranläggningar i Storbritannien testar Imperials fysiker en 84 år gammal teori som en gång ansågs omöjlig att bevisa.
Teorin om Breit-Wheeler-processen säger att det borde vara möjligt att förvandla ljus till materia genom att krossa två ljuspartiklar (fotoner) tillsammans och skapa en elektron och en positron. Tidigare försök att göra detta har dock krävt att andra högenergipartiklar har lagts till.
Fysiker från Imperial College London, ledda av professor Steven Rose, kom 2014 på ett sätt att testa teorin som inte var beroende av dessa extrafunktioner, och i dag pågår ett experiment med förhoppningen att för första gången förvandla ljus direkt till materia.
Professor Rose säger: ”Detta skulle vara en ren demonstration av Einsteins berömda ekvation som relaterar energi och massa: E=mc2, som talar om hur mycket energi som produceras när materia omvandlas till energi. Det vi gör är samma sak men baklänges: vi omvandlar fotonenergi till massa, dvs. m=E/c2.”
Systemet omfattar två högeffektiva laserstrålar som används för att skapa de ljusfotoner som ska krossas ihop. En av fotonerna har ungefär 1 000 gånger så mycket energi som de fotoner som producerar synligt ljus, och den andra har 1 000 000 000 000 gånger så mycket energi.
Lasarstrålarna fokuseras på två separata små mål inne i en målkammare, som innehåller komplicerad optik som används för att fokusera laserstrålarna och magneter som används för att avleda de laddade partiklarna. Det är de laddade positroner som kommer från kollisionen som teamet kommer att leta efter för att bekräfta om processen var framgångsrik.
Teamet, som leds av Dr Stuart Mangles och professor Rose, letade runt om i världen efter ett lämpligt lasersystem, men hittade det lämpligaste nära hemmet: Gemini-lasern vid STFC Rutherford Appleton Laboratory’s Central Laser Facility nära Oxford.
Om de lyckas kommer de att upptäcka positroner, men de måste genomföra en noggrann analys av data innan dessa positroner kan bekräftas komma från Breit-Wheeler-processen och inte från andra bakgrundsprocesser, vilket bevisar att man lyckats förvandla ljus till materia.
Dr Mangles sade: ”När Gregory Breit och John Wheeler först föreslog mekanismen 1934 använde de den då nya teorin om växelverkan mellan ljus och materia som kallas kvantelektrodynamik (QED). Medan alla andra grundläggande förutsägelser i QED sedan dess har demonstrerats experimentellt, har ’Breit-Wheeler-processen med två fotoner’ aldrig setts.
”Om vi kan demonstrera den nu skulle vi återskapa en process som var viktig under universums första 100 sekunder och som också ses i gammastrålningsexplosioner, som är de största explosionerna i universum och ett av fysikens största olösta mysterier.”
En del av de detektorer som teamet kommer att använda kommer från CERN, och teamet hoppas kunna använda ett nätverk av skolelever för att hjälpa dem att analysera data genom Institute for Research in Schools, som professor Rose var en av grundarna till.
Tillhandahålls av Imperial College London