Theoretische Physiker am Imperial College London entwarfen das Experiment, das dies ermöglichen würde.
Theoretische Physiker am Imperial College London haben ein Experiment entworfen, bei dem mithilfe der vorhandenen Technologie Licht durch die Kollision zweier Photonen in Materie umgewandelt wird. Die Möglichkeit wurde vor 80 Jahren theoretisiert, aber bis jetzt war es nicht möglich, ein Experiment zu entwerfen, um dies zu beweisen.
Die Physiker des Imperial College London haben entdeckt, wie man Materie aus Licht erschafft: eine Leistung, die vor 80 Jahren als unmöglich galt .
An einem einzigen Tag, nach mehreren Kaffees, entwickelten drei Physiker in einem kleinen Büro des Blackett Physics Laboratory am Imperial College eine relativ einfache Methode, um eine Theorie, die ursprünglich von den Wissenschaftlern Breit und Wheeler im Jahr 1934 entwickelt worden war, physikalisch zu testen.
Breit und Wheeler schlugen vor, dass es möglich sein sollte, Licht in Materie umzuwandeln, indem man zwei Lichtteilchen (Photonen) zusammenstößt und ein Elektron und ein Positron erzeugt: die einfachste Methode, um Licht in Materie umzuwandeln, die jemals vorhergesagt wurde. Die Berechnung erwies sich als theoretisch sinnvoll, aber Breit und Wheeler sagten, sie hätten nicht erwartet, dass jemand ihre Vorhersage physisch beweisen würde. Es wurde noch nie im Labor beobachtet und frühere Versuche erforderten den Zusatz von massiven Hochenergieteilchen.
Möglicher praktischer Test
Die in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlichte neue Studie zeigt erstmals, wie die Theorie von Breit und Wheeler in der Praxis bewiesen werden konnte . Dieser "Photon-Photon-Collider", der durch eine bereits verfügbare Technologie Licht direkt in Materie umwandelt, wäre eine neue Art von Experiment der Hochenergiephysik.
Dieses Experiment würde einen Prozess nachbilden, der in den ersten 100 Sekunden des Universums sehr wichtig war und der auch in Gammastrahlenexplosionen zu sehen ist, die die größten Explosionen im Universum darstellen und eines der größten ungelösten Rätsel der Physik sind.
Wissenschaftler hatten Fusionsenergieprobleme untersucht, die nichts damit zu tun hatten, als sie erkannten, dass das, woran sie arbeiteten, auf die Breit-Wheeler-Theorie zutreffen könnte. Der Fortschritt wurde in Zusammenarbeit mit einem theoretischen Physiker des Max-Planck-Instituts für Kernphysik aus Deutschland erreicht, der das Imperial besuchte.
Die Demonstration der Breit-Wheeler-Theorie liefert das endgültige Stück eines Physik-Puzzles, das die einfachsten Arten der Interaktion zwischen Licht und Materie beschreibt. Die anderen sechs Teile dieses Puzzles, darunter die Dirac-Theorie von 1930 über die Zerstörung von Elektronen und Positronen und Einsteins 1905 über den photoelektrischen Effekt, stehen im Zusammenhang mit der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Forschung.
Professor Steve Rose vom Department of Physics am Imperial College erklärt in der Pressemitteilung: „ Trotz aller Physiker, die seine Theorie für wahr hielten, sagten Breit und Wheeler, sie hätten nicht damit gerechnet, dass sie im Labor demonstriert würden. Heute, fast 80 Jahre später, haben wir bewiesen, dass sie falsch lagen. Was uns am meisten überraschte, war die Entdeckung, wie wir mit der Technologie, die wir heute im Vereinigten Königreich haben, Materie direkt aus Licht erzeugen können. Als Theoretiker sprechen wir mit Menschen, die unsere Ideen nutzen können, um dieses historische Experiment durchzuführen. “
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Ein laufendes Experiment
Das von Wissenschaftlern vorgeschlagene kollidierende Experiment umfasst zwei Hauptschritte. Erstens würden Wissenschaftler einen extrem leistungsstarken Hochintensitätslaser verwenden, um Elektronen bis knapp unter die Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Dann feuerten sie diese Elektronen auf eine Goldplatte, um einen Photonenstrahl zu erzeugen, der milliardenfach energiereicher ist als sichtbares Licht.
Die nächste Stufe des Experiments besteht aus einer kleinen Goldkapsel namens Hohlraum. Die Wissenschaftler feuerten einen Hochenergielaser auf die innere Oberfläche dieses Goldgefäßes, um ein Wärmestrahlungsfeld zu erzeugen, das ein Licht erzeugt, das dem von den Sternen emittierten Licht ähnelt.
Dann würden sie den Photonenstrahl der ersten Stufe des Experiments durch die Mitte der Kapsel lenken, wodurch die Photonen der beiden Quellen kollidieren und Elektronen und Positronen bilden. Dann wäre es möglich, die Bildung von Elektronen und Positronen beim Verlassen der Kapsel festzustellen.
Der leitende Forscher Oliver Pike, der derzeit in Plasmaphysik promoviert, fügt hinzu: „Obwohl die Theorie konzeptionell einfach ist, war es sehr schwierig, sie experimentell zu überprüfen. Wir konnten die Idee für den Collider sehr schnell entwickeln, aber das von uns vorgeschlagene experimentelle Design kann relativ einfach und mit der vorhandenen Technologie durchgeführt werden. “
„Wir waren erstaunt, als wir uns innerhalb weniger Stunden Gedanken über Hohlraum-Anwendungen machten, die außerhalb ihrer traditionellen Rolle in der Fusionsenergieforschung liegen, und stellten fest, dass dies die perfekten Voraussetzungen für die Erstellung eines Photonencolliders bietet. Das Rennen zur Durchführung und Vervollständigung des Experiments ist im Gange! “
Die Forschung wurde vom Forschungsrat für Ingenieurwissenschaften und Physikalische Wissenschaften (EPSRC), dem John Adams Institute for Accelerator Science und dem Atomic Armament Establishment (AWE) finanziert und in Großbritannien durchgeführt Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik aus Deutschland.
Literaturhinweis :
ABl. Pike, F. Mackenroth, EG Hill, SJ Rose. Ein Photon - Photon - Kollider in einem Vakuum - Hohlraum. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038 / nphoton. 2014.95
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