شبیه سازی ایجاد ماده از برخورد فوتون و فوتون

تیمی به رهبری محققان دانشگاه اوزاکا و دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو شبیه سازی هایی را از ایجاد ماده صرفاً از برخورد ذرات نور انجام دادند. روش آنها محدودیت های شدت لیزرهای مدرن را دور می زند و می تواند به راحتی با استفاده از فناوری موجود فعلی اجرا شود. این کار می‌تواند به آزمایش تجربی نظریه‌های قدیمی مانند مدل استاندارد فیزیک ذرات و احتمالاً نیاز به تجدید نظر در آنها کمک کند.

یکی از شگفت انگیزترین پیش بینی های فیزیک کوانتومی این است موضوع می تواند تنها توسط نور (یعنی فوتون ها) تولید شود و در واقع اجرام نجومی معروف به تپ اختر به این شاهکار دست می یابند. تولید مستقیم ماده به این روش در آزمایشگاه به دست نیامده است، اما امکان آزمایش بیشتر نظریه های فیزیک کوانتومی پایه و ترکیب بنیادی جهان را فراهم می کند.

در مطالعه ای که در نامه معاینه فیزیکیتیمی به رهبری محققان دانشگاه اوزاکا شرایطی را شبیه سازی کرده اند که اجازه می دهد فوتون– برخورد فوتون، فقط از طریق استفاده از لیزر. سادگی راه اندازی و سهولت استقرار در حال حاضر در دسترس است لیزر شدت آن را به یک نامزد امیدوار کننده برای اجرای آزمایشی در آینده نزدیک تبدیل می کند.

برخورد فوتون و فوتون به عنوان یک وسیله اولیه برای تولید ماده در جهان است و از معادله شناخته شده انیشتین E=mc ناشی می شود.². در واقع، محققان به طور غیرمستقیم ماده را از نور تولید کرده‌اند: با شتاب سریع یون‌های فلزی مانند طلا به یکدیگر. در چنین سرعت های بالایی، هر یون توسط فوتون احاطه می شود و ماده و پادماده با عبور از یکدیگر تولید می شوند.

با این حال، به دلیل نیاز به لیزرهای با قدرت بسیار بالا، تولید ماده به صورت تجربی در آزمایشگاه‌های مدرن تنها با استفاده از نور لیزر چالش برانگیز است. شبیه‌سازی چگونگی انجام این موفقیت در آزمایشگاه می‌تواند به یک پیشرفت تجربی منجر شود، بنابراین این چیزی است که محققان تصمیم گرفتند انجام دهند.

شبیه‌سازی‌های ما نشان می‌دهد که هنگام تعامل با میدان‌های الکترومغناطیسی شدید لیزر، پلاسمای متراکم دکتر سوگیموتو، نویسنده ارشد این مطالعه توضیح می‌دهد که می‌تواند خود سازماندهی شود تا برخورد دهنده فوتون- فوتون را تشکیل دهد. این برخورد دهنده حاوی جمعیت متراکمی از پرتوهای گاما است که ده برابر چگالی الکترون در پلاسما و انرژی آن یک میلیون است. برابر بیشتر از انرژی فوتون ها در لیزر.”

برخورد فوتون- فوتون در برخورد دهنده جفت الکترون-پوزیترون تولید می کند و پوزیترون ها توسط پلاسما شتاب می گیرند. میدان الکتریکی ایجاد شده توسط لیزر این منجر به یک پرتو پوزیترون می شود.

پروفسور عارفیف یکی از نویسندگان UCSD گفت: “این اولین شبیه سازی شتاب پوزیترون از فرآیند خطی Breit-Wheeler تحت شرایط نسبیتی است.” ما معتقدیم پیشنهاد ما از نظر تجربی امکان پذیر است و مشتاقانه منتظر کاربرد آن در دنیای واقعی هستیم.

دکتر ویاچسلاو لوکین، مدیر برنامه در بنیاد ملی علوم ایالات متحده، که از این کار حمایت کرد، گفت: “این تحقیق راه بالقوه ای را برای کشف اسرار جهان در یک محیط آزمایشگاهی نشان می دهد. امکانات آینده در تاسیسات لیزر پرقدرت امروز و فردا جذاب تر شده است.”

کاربردهای این اثر برای فناوری تبدیل ماده به انرژی تخیلی Star Trek دقیقاً همین است: داستانی. با این حال، این کار این پتانسیل را دارد که به تایید تجربی نظریه‌های مربوط به ترکیب جهان، یا شاید حتی به کشف فیزیک ناشناخته قبلی کمک کند.