Αναζήτηση αυτού του ιστολογίου

Δευτέρα, 19 Μαΐου 2014

Groundbreaking experiment aims to create matter from light

Researchers at Imperial College London have devised a method of achieving light to matter ...
Researchers at Imperial College London have devised a 
method of achieving light to matter transformation at power 
levels orders of magnitude lower than previously thought 

In what could be a landmark moment in the history of science, physicists working at the Blackett Physics Laboratory in Imperial College London have designed an experiment to validate one of the most tantalizing hypotheses in quantum electrodynamics: the theory that matter could be created using nothing more than pure light.
Premised on a discussion that they had over one day and a few cups of coffee, the three physicists – two from Imperial College and one visiting from the Max Planck Institute in Heidelberg, Germany – recognized that their work on fusion energy also offered possibilities in the theory of light to matter creation, suggested in a theory 80 years ago by two American physicists, Breit and Wheeler. These two physicists had premised the idea that because annihilating electron-positron pairs produce two or more photons, then colliding photons should, in turn, produce electron-positron (or “Breit-Wheeler”) pairs.
In devising an experiment aimed at attempting to produce these Breit-Wheeler pairs, the physicists working at Imperial College propose a two-step process. Firstly, a high-energy electron beam accelerating electrons in a vacuum close to the speed of light would be fired into a target of pure gold several millimeters thick. Via a process called “Bremsstrahlung” (German for “Braking radiation”) the high-energy electrons bombarding the target would lose kinetic energy but, in so doing, release gamma-ray photons.
Schematic of main elements of photon-photon collider
Schematic of main elements of photon-photon collider
Secondly, a magnetic field within the apparatus would collimate and direct this gamma-ray photon beam into a hohlraum (German for “cavity”). Simultaneously, to ensure that any subsidiary electron-positron pairs created at this point would be separated by a further magnet containment field, the hohlraum would be bombarded with a high-energy laser beam effectively rendering it as a black-body thermal radiation chamber. As the beam of high-energy photons entered the cavity they would rise to a super-excited state where they would collide en masse with the photons generated by the laser aimed at the hohlraum and, all going to plan, hundreds of thousands of Breit-Wheeler pairs would be generated to form a continuous stream from the cavity. In fact, it is anticipated that, in using a 2-GeV electron beam and a 400-eV hohlraum laser, the yield would be in excess of 100,000 electron-positron pairs.
The seven simple ways that light and matter interact (Photo: Oliver Pike, Imperial College...
The seven simple ways that light and matter interact (Photo: Oliver Pike, Imperial College London)
If this experiment comes to fruition it would represent not only the first realization of a pure photon–photon collider, but a method of achieving light to matter transformation at power levels orders of magnitude lower than previously thought possible. And, without the requirement for a massive particle accelerator, it could be easily achieved in a modestly-equipped laboratory.
Given the potential to open up a relatively low-energy, simple way to investigate a cornerstone of quantum electrodynamics, this proposal should allow many more researchers access to this field. As a result, this could help add to our knowledge of the processes that took place in the first 100 seconds of the universe and possibly shed more light on those mysterious denizens of deep-space: gamma-ray bursts emanating from exploding massive stars.
Lastly, validating the Breit-Wheeler theory would also provide the seventh and final in the line theories describing the simplest ways in which light and matter interact. These include Dirac's 1930 theory on the annihilation of electrons and positrons, Einstein's 1905 theory on the photoelectric effect, and Blackett and Occhialini’s single-photon annihilation. Those theories are all associated with Nobel Prize-winning research.
Details of the research were published this week in the journal Nature Photonics.

In Greek

 μάζα είναι ισοδύναμη της ενέργειας, προέβλεψε ο Αλμπερτ Αϊνστάιν. Βάσει αυτής της θεωρίας, οι θεωρητικοί φυσικοί πρότειναν αργότερα την ιδέα της μετατροπής του φωτός σε ύλη. Ογδόντα χρόνια μετά, ερευνητές στη Βρετανία και τη Γερμανία υποστηρίζουν ότι επινόησαν μια πειραματική διάταξη που θα αποδείξει για πρώτη φορά τη θεωρία.

Ισοδυναμία μάζας και ενέργειας

H ιδέα της ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας, δηλαδή η ιδέα ότι η μάζα ενός αντικειμένου αποτελεί μέτρο του περιεχομένου του σε ενέργεια, συμπυκνώνεται στη διάσημη εξίσωση E=mc2, η οποία διατυπώθηκε το 1905 από τον Άινσταιν στο πλαίσιο της Ειδικής Σχετικότητας.

Λίγα χρόνια αργότερα, το 1934, οι φυσικοί Γκρέγκορι Μπρέιτ και Τζον Ουίλερ περιέγραψαν μια θεωρητική διαδικασία για τη μετατροπή του φωτός -μιας μορφής ενέργειας- σε ύλη, μια διαδικασία που θα αποτελούσε ορατή έκφραση της ισοδυναμίας του Άινσταιν.

Η θεωρία Μπρετ-Ουίλερ

Οι υπολογισμοί των Μπρέτ και Ουίλερ έδειχναν ότι ο απλούστερος τρόπος για τη μετατροπή του φωτός σε ύλη είναι οι συγκρούσεις ανάμεσα σε φωτόνια υψηλής ενέργειας, από τις οποίες θα προέκυπταν ζευγάρια ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων (αντι-ηλεκτρονίων). Τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, ενώ τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια έχουν και επομένως θεωρούνται υλικά σωματίδια.

«Παρά το γεγονός ότι όλοι οι φυσικοί αποδέχονται τη θεωρία ως ορθή, οι ίδιοι οι Μπρέιτ και Ουίλερ δήλωναν ότι δεν περίμεναν ποτέ να τη δουν να αποδεικνύεται στο εργαστήριο. Σήμερα, σχεδόν 80 χρόνια μετά, αποδεικνύουμε ότι έκαναν λάθος» υπερηφανεύεται ο καθηγητής Στιβ Ρόουζ του Imperial  College στο Λονδίνο.

Σε συνεργασία με ερευνητές του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Γερμανία, η ομάδα του Ρόουζ περιγράφει τη νέα ιδέα στην επιθεώρηση Nature Photonics.

Συγκρούσεις με λέιζερ και χρυσό

Η πειραματική διάταξη που φαντάστηκαν αποτελείται από δύο βασικά τμήματα, καθένα από τα οποία παράγει μια δέσμη φωτονίων με εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος, μήκος κύματος που αντιστοιχεί στο φάσμα των ακτίνων γάμμα.

Στο πρώτο τμήμα της διάταξης, μια πολύ ισχυρή δέσμη λέιζερ επιταχύνει ηλεκτρόνια σχεδόν μέχρι την ταχύτητα του φωτός και τα αναγκάζει να συγκρουστούν με μια πλάκα από χρυσό, οπότε δημιουργείται η πρώτη δέσμη φωτονίων.

Στο δεύτερο τμήμα της διάταξης, η δέσμη φωτονίων παράγεται από μια δέσμη λέιζερ που βομβαρδίζει μια μικρή συσκευή από χρυσό που χρησιμοποιείται σε πειράματα πυρηνικής σύντηξης και ονομάζεται holhraum («άδειο δωμάτιο» στα γερμανικά).

Η δέσμη φωτονίων που παράγεται από το βομβαρδισμό του holhraum αναγκάζεται να συγκρουστεί με την πρώτη δέσμη φωτονίων, οπότε παράγονται ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων τα οποία μπορούν να ανιχνευθούν με σχετική ευκολία.

Το τελευταίο κομμάτι του παζλ

Οι ερευνητές διαβεβαιώνουν ότι το πείραμα είναι «σχετικά εύκολο» να πραγματοποιηθεί με τις σημερινές τεχνολογίες. Και αυτό σημαίνει ότι τα επόμενα χρόνια ο Άινσταϊν και οι Μπρετ-Ουίλερ θα μπορούσαν να δικαιωθούν οριστικά.

Όπως μάλιστα υποστηρίζουν οι ερευνητές, η απόδειξη της θεωρίας Μπρετ-Ουίλερ θα έβαζε το τελευταίο κομμάτι σε ένα παζλ φυσικής που περιγράφει τους τρόπους με τους οποίους το φως αλληλεπιδρά με την ύλη.

Τα άλλα κομμάτια του παζλ, όπως η θεωρία του Άισταϊν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η θεωρία του Πολ Ντιράκ για την αμοιβαία εξουδετέρωση των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, προέκυψαν από μελέτες που τελικά βραβεύτηκαν με Νόμπελ.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου