Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории нашли доказательства столкновений, в которых частицы света создают материю и антивещество, пишет sciencenews.org со ссылкой на Physical Review Letters. Столкните свет со светом, и вы получите материю и антивещество. Это звучит как простая идея, которую на удивление трудно доказать.

Группа физиков теперь заявляет о первом прямом наблюдении процесса Брейта-Уиллера, в котором две частицы света – фотоны – сталкиваются друг с другом и производят электрон и его аналог из антивещества – позитрон. Но значение обнаружения зависит от определения слова «реальный». Некоторые физики утверждают, что фотоны не считаются реальными, что ставит под сомнение последствия наблюдения.

Процесс Брейта-Уиллера, предсказанный более 80 лет назад, никогда не наблюдался напрямую, хотя ученые наблюдали связанные с ним процессы, такие как рассеяние света светом. Новые измерения, полученные в результате эксперимента STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории, совпадают с предсказаниями неуловимого преобразования, сообщают физик из Брукхейвена Дэниел Бранденбург и его коллеги.

«Идея о том, что можно создать материю из столкновения света, – интересная концепция», – говорит Бранденбург.

Это поразительная демонстрация физики, увековеченной в уравнении Эйнштейна E = mc², которое показало, что энергия и масса – две стороны одной медали. Правильность наблюдения зависит от того, считаются ли фотоны «реальными», как того требует процесс Брейта-Уиллера, или «виртуальными». В физике элементарных частиц виртуальные частицы – это частицы, которые появляются только на короткое время и не обладают своей нормальной массой.

Физики согласны с тем, что фотоны от обычного источника света, такого как лампочка или лазер, реальны. Но реальность фотонов Бранденбурга и его коллег вызывает споры. Это потому, что свет, с которым сталкивается команда, исходит из необычного источника.

В коллайдере релятивистских тяжелых ионов атомные ядра движутся почти со скоростью света, прежде чем врезаться друг в друга. Эти быстрые ядра окружены электромагнитными полями, и с этими полями связаны фотоны. Обычно такие фотоны электромагнитных полей виртуальны. Но в эксперименте фотоны действуют так, как будто они настоящие, из-за высоких скоростей, с которыми движутся два ядра.

Новое свидетельство процесса Брейта-Уиллера происходит от столкновений, при которых ядра просто не попадают друг в друга. В этих случаях электромагнитные поля двух ядер перекрываются, и два фотона из этих полей могут столкнуться. Таким образом, исследователи искали близкие к цели попадания, которые создают один электрон и один позитрон.

Но, как говорит соавтор исследования Чжанбу Сюй, физик из Брукхейвена в Аптоне (штат Нью-Йорк), «проблема в том, как определить: исходят ли частицы от столкновения реальных фотонов, или от других процессов».

Чтобы подтвердить тот факт, что частицы произошли от реальных фотонов, исследователи изучили углы между этими частицами, которые различаются в зависимости от столкновения реальных или виртуальных фотонов. Углы соответствовали ожиданиям для реальных фотонов, предполагая, что команда наблюдала законный процесс Брейта-Уиллера.

Тем не менее, «строго говоря», говорит физик элементарных частиц Люсьен Харланд-Ланг из Оксфордского университета, эксперимент «удален на один шаг» от истинного процесса Брейта-Уиллера. Хотя фотоны ведут себя почти как реальные, технически они виртуальны.

Бранденбург и его коллеги придерживаются другой точки зрения, похожей на физическую версию классического теста с уткой: если существо ходит как утка и крякает, как утка, то, вероятно, это утка. Если реальность фотона основана только на его поведении, то это будут настоящие фотоны.

И измерения ученых подтверждают это, говорит физик лазерной плазмы Стюарт Манглес из Имперского колледжа Лондона, который не участвовал в новом исследовании: «Все, что они измеряют, указывает, что это настоящий фотон».

Однако Манглес отмечает, что фотоны по-прежнему виртуальны по некоторым определениям: в отличие от обычных фотонов, которые не имеют массы, эти фотоны имеют массу.

Один из способов обойти острые вопросы об определении реальности – это провести этот эксперимент с бесспорно реальными фотонами. Манглес и другие работают над обнаружением процесса Брейта-Уиллера с помощью лазеров, которые производят свет, столь же реальный, как и свет, позволяющий вам прочитать эту статью. Это, как надеются физики, станет доказательством того, что сталкивающийся свет создает материю.