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Wie man beweist, dass Licht in Materie umgewandelt werden kann

2021

1934 stellten zwei amerikanische Physiker die Theorie auf, dass bei einer Kollision von zwei Photonen zwei Positron-Elektronen-Paare entstehen und somit Licht in Materie umgewandelt wird. Wenn dies in einem Labor nachgewiesen würde, wäre der Prozess eine reine Demonstration von Einsteins Relativitätstheorie, E = mc2, die besagt, dass die Masse eines Objekts auch ein Maß für seine gespeicherte Energie ist. Zu der Zeit, als die Wissenschaftler - Gregory Breit und John A. Wheeler, Physiker an der New York University - ihre Hypothese aufstellten, standen keine wissenschaftlichen Werkzeuge zur Verfügung, um dies zu beweisen. Das Paar hatte also nur eine Theorie, eine sehr solide Theorie, die danach bekannt wurde wie das Breit-Wheeler-Verfahren, bis die Technik aufholen konnte.

Genau 80 Jahre später ist es endlich so weit: Theoretische Physiker am Imperial College London sind zufällig auf eine Methode gestoßen, die die Theorie von Breit und Wheeler demonstriert. In einer Studie, die in diesem Monat in Nature Photonics veröffentlicht wurde, beschreibt das Team, wie es bei der Untersuchung von Problemen im Zusammenhang mit der Fusionsenergie feststellte, dass durch das Abfeuern von Hochenergielasern in einen Hohlraum eine winzige Golddose Laserstrahlung absorbiert und symmetrisch wieder abstrahlt es als Röntgenstrahlung - Wissenschaftler könnten einen "Photon-Photon-Kollider" entwickeln, der es schafft, Materieteilchen aus hochenergetischen Photonen zu spinnen.

Da sich die Leute, die das Experiment erfunden haben, nur mit theoretischer Physik befassen und das eigentliche Verfahren ein großes Team von Experimentatoren erfordern wird, ist Pikes Team derzeit dabei, andere Forscher zusammenzubringen, um das Experiment ordnungsgemäß durchzuarbeiten. Er sagt, es könnte "innerhalb eines Jahres abgeschlossen werden", abhängig davon, wie schnell das Team eine von nur etwa 10 Laboreinrichtungen auf der Welt sichern kann, die die für die Durchführung des Experiments erforderlichen Geräte enthalten: sowohl Kurzpulslaserfähigkeiten als auch entweder einen Hohlraum oder einige anderer Mechanismus zur Erzeugung einer großen Anzahl von Röntgenstrahlen: Der Prozess umfasst einen formellen, von Experten geprüften Vorschlag, der von einem Ausschuss der Einrichtung auf der Grundlage seiner gründlichen Präsentation, seines Fachwissens und seiner letztendlichen Bedeutung für die Wissenschaft erörtert werden muss Mit letzterem gibt es kein Problem - bei erfolgreicher Durchführung wird dieses Experiment in seiner reinsten Form einen Prozess verwirklicht haben, der für das Verständnis sowohl der Gammastrahlenexplosionen als auch der ersten Minuten der Entstehung des Universums von entscheidender Bedeutung ist.

"Der Breit-Wheeler-Prozess war so schwer zu fassen, weil die Anzahl der Lichtteilchen, die erforderlich sind, um ihn zu sehen, sehr hoch ist. Oliver Pike, der leitende Forscher, sagte gegenüber Popular Science ." Der Versuch, zwei Photonen mit zwei energiereichen Lichtstrahlen zu kollidieren, hat sich bislang bewährt, nicht funktioniert, [weil] es sehr schwierig ist, dichte und schmale Strahlen der zur Erfassung des Prozesses erforderlichen Energien zu erzeugen. Unser Ansatz war anders. Lasergeheizte Hohlräume werden seit Jahrzehnten verwendet, und Hochintensitätslaser können Elektronen seit etwa 10 Jahren auf die für die Erzeugung des Lichtstrahls erforderlichen sehr hohen Energien beschleunigen. Ich glaube einfach nicht, dass irgendjemand daran gedacht hätte, einen Hohlraum als Werkzeug für das Studium der Grundlagenphysik zu verwenden. "

Es ist nicht das erste Mal, dass Licht in Materie umgewandelt wird: 1997 verwendete der Linearcollider von Stanford einen anderen Prozess, bei dem eine große Anzahl von Photonen mit Hilfe eines leistungsstarken Elektronenstrahls und eines elektrischen Felds, das die benötigte Energie liefert, wechselwirkt die Photonen zu kollidieren, um Materieteilchen zu erzeugen. Im Gegensatz dazu nutzt das Experiment des Imperial College London-Teams die Energie der beiden kollidierenden Photonen selbst - es ist das erste Mal, dass Licht in einem totalen Vakuum in Materie umgewandelt wird, wodurch der Prozess viel einfacher zu beobachten ist.

"Die Idee, einen Photon-Photon-Kollider zu entwickeln, hat laut Pike seit langem interessierte Physiker." Bei Photonenkollisionen können viele verschiedene Teilchen erzeugt werden, so dass ein solcher Kollider möglicherweise verwendet werden könnte, um die grundlegende Physik mit einem sehr sauberen experimentellen Ansatz zu untersuchen. [It] könnte als Antimateriequelle verwendet werden - nützlich zum Beispiel beim PET-Scannen -, wenn die gleiche Anzahl von Elektronen und Positronen gebildet wird, aber es gibt viel einfachere und effizientere Möglichkeiten, Antimaterie zu erzeugen. Anwendungen [des Prozesses] mögen in der Zukunft auftreten, aber im Moment ist die Hauptattraktion dieses Experiments sicherlich akademisch: Zum ersten Mal einen sehr einfachen Prozess zu beobachten. "

Während moderne Technologie es endlich möglich macht, den Breit-Wheeler-Prozess zum ersten Mal durchzuführen, wird Pike sagen, dass sie gerade erst begonnen haben werden, die Oberfläche ihrer Fähigkeiten zu zerkratzen. Da Laser mit der Zeit immer leistungsfähiger werden, können Wissenschaftler mehr und unterschiedliche Partikel als nur Positron-Elektronen-Paare produzieren. Er sagt, dass ihre anfängliche Entdeckung, obwohl zufällig, letztendlich ein unvermeidlicher wissenschaftlicher Fortschritt war.

"Dieser Prozess ist insofern ein bisschen seltsam, als theoretisch seine Gültigkeit nicht wirklich in Frage gestellt wird." Es ist nur so, dass wir in der Vergangenheit keine Möglichkeit hatten, ihn zu erkennen, während eng verwandte Prozesse wie der Die Zerstörung eines Elektrons und eines Positrons in zwei Photonen wurde vor Jahrzehnten beobachtet. Wenn wir dieses Werk nicht veröffentlicht hätten, hätte sich sicher irgendwann jemand bemüht, es zu beobachten. "

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