Theoretische fysici aan het Imperial College London ontwierpen het experiment dat het mogelijk zou maken.
Theoretische natuurkundigen van het Imperial College London hebben een experiment ontworpen, waarbij bestaande technologie wordt gebruikt om licht in materie te transformeren door de botsing van twee fotonen. De mogelijkheid was 80 jaar geleden al in theorie, maar tot nu toe was het niet mogelijk om een experiment te ontwerpen om het te bewijzen.
Natuurkundigen van het Imperial College in Londen hebben ontdekt hoe ze materie kunnen creëren uit licht: een prestatie die onmogelijk werd geacht toen deze 80 jaar geleden voor het eerst werd getheoretiseerd .
Op een enkele dag, na verschillende koffiesoorten, in een klein kantoor van het Blackett Physics Laboratory , Imperial College, ontwikkelden drie fysici een relatief eenvoudige manier om fysiek een theorie te testen die aanvankelijk was bedacht door wetenschappers Breit en Wheeler, in 1934.
Breit en Wheeler suggereerden dat het mogelijk zou moeten zijn om licht in materie om te zetten door twee lichtdeeltjes (fotonen) te laten botsen en een elektron en een positron te creëren: de eenvoudigste methode om licht om te zetten in materie die ooit is voorspeld. De berekening bleek theoretisch zinvol, maar Breit en Wheeler zeiden dat ze niet verwachtten dat iemand fysiek hun voorspelling zou bewijzen. Het is nooit waargenomen in het laboratorium en eerdere experimenten om het te testen vereisten de toevoeging van massieve deeltjes met een hoge energie.
Mogelijke praktische test
Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics, laat voor het eerst zien hoe de theorie van Breit en Wheeler in de praktijk kon worden bewezen . Deze "foton-fotonbotser", die licht rechtstreeks in materie zou omzetten door een technologie die al beschikbaar is, zou een nieuw type fysica-experiment met hoge energie zijn.
Dit experiment zou een proces nabootsen dat heel belangrijk was in de eerste 100 seconden van het universum en dat ook wordt gezien in gammaflitsen, de grootste explosies in het universum, en een van de grootste onopgeloste mysteries van de fysica.
Wetenschappers hadden onderzoek gedaan naar fusie-energieproblemen die hier niets mee te maken hadden, toen ze zich realiseerden dat waar ze aan werkten, van toepassing kon zijn op de Breit-Wheeler-theorie. De vooruitgang werd bereikt in samenwerking met een theoretische fysicus van het Max Planck Instituut voor nucleaire fysica, uit Duitsland, die de keizer bezocht.
Het demonstreren van de Breit-Wheeler-theorie zou het definitieve stuk van een natuurkundige puzzel zijn die de eenvoudigste manieren van interactie tussen licht en materie beschrijft. De andere zes stukjes van deze puzzel, waaronder de Dirac-theorie van 1930 over de vernietiging van elektronen en positronen en Einstein's 1905 over het foto-elektrisch effect, zijn gerelateerd aan Nobelprijswinnend onderzoek.
Professor Steve Rose van het Department of Physics aan het Imperial College legt in het persbericht uit: “ Ondanks alle natuurkundigen die accepteerden dat zijn theorie waar was, zeiden Breit en Wheeler dat ze niet verwachtten dat het in het laboratorium zou worden aangetoond. Vandaag, bijna 80 jaar later, hebben we bewezen dat ze ongelijk hadden. Wat voor ons het meest verrassend was, was de ontdekking van hoe we materie rechtstreeks uit licht kunnen creëren met behulp van technologie die we vandaag in het Verenigd Koninkrijk hebben. Omdat we theoretici zijn, praten we met mensen die onze ideeën kunnen gebruiken om dit historische experiment uit te voeren. "
Gerelateerde artikelen
Eerste foto van het licht dat zich tegelijkertijd als golf en corpuscle gedraagt
Mogelijke verklaring voor de oorsprong van materie in de kosmos
Een 'app' voor Google Glass analyseert de gezondheid van planten zonder ze te beschadigen
Ze krijgen geïnterlinieerde fotonen in een chip
Ze mogen het licht in de lucht stoppen
Een doorlopend experiment
Het botsende experiment dat wetenschappers hebben voorgesteld, omvat twee hoofdstappen. Ten eerste zouden wetenschappers een extreem krachtige laser met hoge intensiteit gebruiken om elektronen te versnellen tot net onder de snelheid van het licht.
Dan zouden ze deze elektronen afvuren op een gouden plaat om een fotonenstraal te creëren die een miljard keer energieker is dan zichtbaar licht.
De volgende fase van het experiment omvat een kleine gouden capsule genaamd hohlraum ("lege ruimte" in het Duits). De wetenschappers zouden een hoogenergetische laser op het binnenoppervlak van dit gouden vat afvuren om een thermisch stralingsveld te creëren, dat een licht zou genereren dat vergelijkbaar is met het licht dat wordt uitgezonden door de sterren.
Vervolgens zouden ze de fotonenbundel van de eerste fase van het experiment door het midden van de capsule sturen, waardoor de fotonen van de twee bronnen botsen en elektronen en positronen vormen. Dan zou het mogelijk zijn om de vorming van elektronen en positronen te detecteren toen ze de capsule verlieten.
De hoofdonderzoeker, Oliver Pike, die momenteel promoveert in de plasmafysica, voegt eraan toe: “Hoewel de theorie conceptueel eenvoudig is, was het heel moeilijk om experimenteel te verifiëren. We konden het idee voor de botser heel snel ontwikkelen, maar het experimentele ontwerp dat we voorstellen kan met relatief gemak en met bestaande technologie worden uitgevoerd. ”
“Met slechts een paar uur nadenken over hohlraum-toepassingen buiten hun traditionele rol in onderzoek naar fusie-energie, waren we verbaasd te ontdekken dat het de perfecte omstandigheden bood voor het creëren van een foton-botser. De race om het experiment uit te voeren en te voltooien is aan de gang! ”
Het onderzoek werd gefinancierd door de Research Council in Engineering and Physical Sciences (EPSRC), het John Adams Institute for Accelerator Science en de Atomic Armament Establishment (AWE), allemaal in het Verenigd Koninkrijk, en werd uitgevoerd in samenwerking met Max-Planck -Institut für Kernphysik, uit Duitsland.
Bibliografische referentie :
OJ Pike, F. Mackenroth, EG Hill, SJ Rose. Een foton - fotonbotser in een vacuüm hohlraum. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038 / nphoton. 2014.95
Ze ontdekken hoe materie uit licht te creëren
