В първите минути от живота на Вселената сблъскващи се емисии на светлинна енергия създават първите частици материя и антиматерия. Всички познаваме обратния процес - генериращ енергия от всичко - от огън до атомна бомба, но досега бе трудно да се пресъздаде тази критична трансформация на светлината в материя след Големия взрив.
Сега нов набор от симулации от изследователски екип, ръководен от Алексей Арефиев от Университета на Калифорния, Сан Диего, посочва пътя към превръщането на материята от светлина. Процесът започва с насочване на лазер с висока мощност към цел, за да генерира магнитно поле, силно като това на неутронна звезда. Това поле генерира емисии на гама лъчи, които се сблъскват, за да произведат за кратък момент двойки материални и антиматериални частици.
Изследването, публикувано в списание Physical Review Applied, предлага своеобразна рецепта, която експериментаторите в лазерните съоръжения с висока мощност Extreme Light Infrastructure (ELI) в Румъния биха могли да следват, за да стигнат до реални резултати за една до две години, коментира Арефиев, професор по механика и космическо инженерство.
Кредит: Narinder
Два фотона, които се сблъскват един с друг, могат да се превърнат в двойка частица вещество и неговата античастица (например, електрон и позитрон). Това е обратният процес на унищожаване, взаимно унищожаване на частици и античастици с превръщането им във фотони.
Предполага се, че в първите минути след Големия взрив и двата процеса са протичали масово. Но ако анифилацията отдавна е изучена от експериментаторите, то реконструкцията на раждането на материята от радиация е много по-трудна.
За да има съществена вероятност от сблъсък на два фотона, потокът лъчения трябва да бъде много плътен. Освен това фотоните трябва да имат огромна енергия, за да имат достатъчно енергия за създаване на материя. Всъщност според известната формула E = mc2, създаването на един грам материя изисква около сто трилиона джаула енергия. За сравнение: приблизително същото количество енергия се отделя по време на атомната бомбардировка на Хирошима.
Въпреки това експериментаторите възпроизвеждат раждането на материята при сблъсък на фотони през 1997 г. Този процес обаче е неефективен.
Има още един момент, който затруднява моделирането в лабораторни условия на първите минути след Големия взрив - за да се получи необходимата енергия, фотоните първо трябва да се сблъскат с електрони.
Учените разполагат с лазерни инсталации с капацитет от няколко петавата. Това е достатъчно, за да се получи материя от светлина. Extreme Light Infrastructure (ELI)
Един от начините за постигането на това, отбелязват авторите на новото проучване, е да се насочи високомощен лазер към цел, която да създаде много силно магнитно поле, което да излъчи интензивните енергийни емисии.
Високоинтензивните, ултра къси лазерни импулси, насочени към плътна цел, могат да направят целта „релативистично прозрачна“, тъй като електроните в лазера се движат със скорост, много близка до скоростта на светлината и ефективно стават по-тежки, обяснява Арефиев. Когато лазерът изстрелва тези електрони, той генерира магнитно поле, толкова силно, колкото привличането на на повърхността на неутронна звезда - 100 милиона пъти по-силно от магнитното поле на Земята.
Става въпрос за облъчване на мишена с лазер с мощност няколко петавата (1015 вата). Тъй като такъв лъч е много тънък, мощността на квадратен сантиметър ще е от порядъка на 1022 вата. За сравнение, Слънцето доставя около 174 петавата слънчева радиация в цялата горна атмосфера на Земята. Лазерен показалец доставя около 0,005 вата към слайд на Power Point.
При тези условия симулациите показват, че в резултат веществото на мишената ще се изпари, превръщайки се в йонизиран газ или плазма. Но електроните на тази плазма ще придобият огромна енергия. Електроните на изпарения целеви материал ще бъдат инхибирани в това поле и тяхната огромна енергия ще бъде изразходвана за излъчването на гама фотони. Сблъсквайки се един с друг или с топлинното излъчване на плазмата, тези фотони ще генерират материя.
Целият процес ще отнеме около сто фемтосекунди, тоест една десет трилионна от секундата. В този случай ще бъдат създадени десетки или дори стотици хиляди позитрон-електронни двойки. С пристигането на следващия лазерен импулс целият процес ще се повтори отново.
„Нашите резултати ще позволят на учените първо да изследват един от основните процеси във Вселената“, коментира Арефиев.
На разположение на човечеството вече има лазери, които позволяват подобен експеримент. Това е европейският проект Extreme Light Infrastructure (ELI) в Букурещ, най-мощният лазер в света. Авторите очакват през следващите няколко години там да се осъществи експериментален тест на тяхната концепция.
Арефиев заявява, че лазерните съоръжения на ELI ще бъдат готови да тестват симулациите на екипа на Арефиев след няколко години.
"Това е причината, поради която написахме този документ, и тъй като лазерът работи, не сме толкова далеч от реализацията на това", коментира авторът. "В науката това ме привлича. Докато не видя, няма да повярвам".
Справка: T. Wang et al. Power Scaling for Collimated γ -Ray Beams Generated by Structured Laser-Irradiated Targets and Its Application to Two-Photon Pair Production, Physical Review Applied (2020). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.054024
Източник: Making matter out of light: high-power laser simulations point the way
by Becky Ham, University of California - San Diego
Още по темата
Физика
Мистериите, които Големият адронен колайдер трябва да разгадае
Физика
Проф. Пиетрала разказва за проекта на най-мощния лазер в света
Новини
Д-р Кери Бренър разказва за науката на екстремните лазери (видео)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари