Fotonii care se ciocnesc au fost observați făcând materie. Dar sunt fotonii „reali”?

Ciocniți lumina cu lumină și puf, obțineți materie și antimaterie. Pare o idee simplă, dar se dovedește a fi surprinzător de greu de demonstrat.

O echipă de fizicieni revendică acum prima observație directă a procesului Breit-Wheeler mult căutat, în care două particule de lumină, sau fotoni, se ciocnesc una în cealaltă și produc un electron și omologul său de antimaterie, un pozitron. Dar, asemenea unei discuții dintr-un curs introductiv de filozofie, semnificația detectării depinde de definiția cuvântului „real”. Unii fizicieni susțin că fotonii nu se califică drept reali, ridicând întrebări cu privire la implicațiile observației.

Prevăzut cu mai bine de 80 de ani în urmă, procesul Breit-Wheeler nu a fost niciodată observat direct, deși oamenii de știință au văzut procese înrudite, cum ar fi împrăștierea luminii în afara luminii (SN: 14/8/17). Noile măsurători din experimentul STAR de la Brookhaven National Laboratory’s Relativistic Heavy Ion Collider se potrivesc cu predicțiile pentru transformarea evazivă, raportează fizicianul de la Brookhaven Daniel Brandenburg și colegii săi în 30 iulie. Scrisori de revizuire fizică.

„Ideea că poți crea materie din lumină zdrobitoare este un concept interesant”, spune Brandenburg. Este o demonstrație izbitoare a fizicii imortalizate în ecuația lui Einstein E=mc2care a dezvăluit că energia și masa sunt două fețe ale aceleiași monede.

Dacă observația se califică cu adevărat, depinde dacă fotonii sunt considerați „reali”, așa cum se cere procesul Breit-Wheeler, sau „virtuali”. În fizica particulelor, particulele virtuale sunt cele care apar doar pentru scurte clipe și nu își poartă masele normale.

Fotonii dintr-o sursă obișnuită de lumină, cum ar fi un bec sau un laser, sunt reali, fizicienii sunt de acord. Dar bună credință a fotonilor Brandenburg și ai colegilor sunt dezbătute. Asta pentru că lumina cu care se ciocnește echipa provine dintr-o sursă neobișnuită.

În Ciocnitorul relativist de ioni grei, nucleele atomice călătoresc aproape cu viteza luminii înainte de a se ciocni unul în celălalt. Acele nuclee rapide sunt înconjurate de câmpuri electromagnetice, iar acele câmpuri au fotoni asociați cu ele. În mod normal, astfel de fotoni din câmpurile electromagnetice sunt virtuali. Dar în experiment, fotonii acționează ca și cum ar fi reali datorită vitezei mari la care cele două nuclee se deplasează.

Noile dovezi ale procesului Breit-Wheeler provin din ciocniri în care nucleele tocmai au ratat unul pe celălalt. În aceste cazuri, câmpurile electromagnetice ale celor două nuclee se suprapun și doi fotoni din acele câmpuri se pot ciocni. Așadar, cercetătorii au căutat aproape erori care scuipă un electron și un pozitron.

ilustrare a doi fotoni care se ciocnesc, producând un electron și un pozitron
Când două nuclee atomice (roșu) trec în apropiere, două particule de lumină (galben) se ciocnesc, producând un electron încărcat negativ ( e) și un pozitron încărcat pozitiv (de ex+).BNL

Dar, spune coautorul studiului Zhangbu Xu, un fizician de asemenea la Brookhaven din Upton, NY, „problema este cum spui de fapt că acestea provin de la [real] fotoni, nu din alte procese.” Pentru a susține cazul că particulele provin de la fotoni reali, cercetătorii au studiat unghiurile dintre acele particule, care diferă în funcție de ciocnirea fotonilor reali sau virtuali. Unghiurile corespund așteptărilor pentru fotoni reali, sugerând că echipa a văzut procesul legitim Breit-Wheeler.

Cu toate acestea, „strict vorbind”, spune fizicianul particulelor Lucian Harland-Lang de la Universitatea din Oxford, experimentul este „un fel de îndepărtat” din adevăratul proces Breit-Wheeler. Deși fotonii se comportă aproape ca și cum ar fi reali, ei sunt virtuali din punct de vedere tehnic.

Brandenburg și colegii au o viziune diferită, asemănătoare cu o versiune de fizică a testului clasic de rață: dacă merge ca o rață și șarlată ca o rață, atunci probabil că este o rață. Dacă realitatea unui foton se bazează doar pe modul în care se comportă, atunci aceștia ar fi fotoni reali.

Iar măsurătorile oamenilor de știință susțin acest lucru, spune fizicianul cu plasmă laser Stuart Mangles de la Imperial College London, care nu a fost implicat în noul studiu: „Tot ce măsoară ei îl face să arate ca un foton real”. Cu toate acestea, Mangles observă că fotonii sunt încă virtuali după unele definiții: Spre deosebire de fotonii normali, care nu au masă, acești fotoni au masă.

O modalitate de a evita întrebările spinoase despre definiția realității ar fi efectuarea acestui experiment cu fotoni indiscutabil reali. Mangles și alții lucrează la detectarea procesului Breit-Wheeler cu lasere, care produc lumină care este la fel de reală ca lumina care vă permite să citiți acest articol. Acest lucru, speră fizicienii, va rezolva cazul pentru ciocnirea materiei care produce lumină.