Учёные придумали, как превратить чистую энергию в материю с помощью одних только лазеров
Современная наука вплотную приблизилась к тому, чтобы превратить знаменитую формулу Эйнштейна E=mc² в лабораторную реальность. Речь идет не о расщеплении атома, а о принципиально ином процессе — прямом синтезе материи из света. Международная группа исследователей из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего представила теоретическую модель, которая впервые делает этот эксперимент возможным на существующем оборудовании.
Ключевое отличие новой работы от предыдущих попыток — снятие энергетического барьера. Ранее для порождения частиц из фотонов требовались установки, сравнимые по мощности с Большим адронным коллайдером. Новая модель предлагает использовать лазеры, интенсивность которых уже достижима — 1022 Вт/см2. Это снимает вопрос «если» и переводит его в плоскость «когда» будет проведен первый чистый эксперимент по превращению света в вещество.
Как работают «лазерные коллайдеры»
В основе предложения лежит явление самоорганизации плазмы. Согласно моделированию, при облучении плотной плазмы мощным лазерным импульсом, электроны скапливаются на его переднем фронте. Это создает мощное продольное электрическое поле. Внутри этого поля формируется движущийся «гамма-коллайдер» — область с колоссальной плотностью гамма-квантов, где энергия фотонов в миллион раз превышает энергию исходных лазерных частиц.
Рождение позитронов в плазме
Именно в этом коллайдере и происходит чудо. Когда два гамма-кванта сталкиваются, они аннигилируют, порождая пару «электрон-позитрон». Этот механизм известен как линейный процесс Брейта-Уилера. Однако новизна работы заключается в том, что образовавшиеся позитроны не просто фиксируются, а тут же ускоряются электрическим полем самой плазмы до ультрарелятивистских энергий. Это позволяет получить сфокусированный позитронный пучок с энергией в гигаэлектрон-вольты, что является первым в истории моделированием подобного ускорения.
Практический шаг к проверке фундаментальной теории
Доктор Сугимото, ведущий автор исследования, подчеркивает, что плазма выступает одновременно и «реактором», и «ускорителем». Она самоорганизуется таким образом, что плотность гамма-лучей внутри коллайдера в десять раз превышает плотность электронов плазмы. Это условие является критическим для эффективного рождения материи. Профессор Арефьев, соавтор работы, отмечает экспериментальную осуществимость предложения, а доктор Вячеслав Лукин из Национального научного фонда США видит в этом способ «исследовать тайны Вселенной в лабораторных условиях».
Косвенные эксперименты по синтезу материи уже проводились. Ученые сталкивали ионы золота, разогнанные до околосветовых скоростей. Облака виртуальных фотонов вокруг этих ионов сталкивались, порождая электрон-позитронные пары. Однако это был «побочный продукт» столкновения тяжелых ядер. Новая работа предлагает чистый эксперимент: только свет и плазма, без участия массивных частиц. Это принципиально иной уровень доказательства.
Успех данной модели открывает дорогу не только к проверке Стандартной модели физики частиц в экстремальных условиях. Возможность управляемого синтеза материи из энергии в лаборатории позволит изучать процессы, которые происходили в первые мгновения после Большого взрыва. Хотя создание репликатора материи из «Звездного пути» остается делом далекого будущего, получение первого направленного пучка позитронов, рожденного из чистого света, станет триумфом экспериментальной физики и, возможно, откроет окно в новую физику за пределами известных нам законов.
