Een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Osaka en de Universiteit van Californië, San Diego heeft simulaties gebruikt om aan te tonen hoe materie experimenteel kan worden gecreëerd met alleen licht, wat in de toekomst zou kunnen helpen bij het testen van al lang bestaande theorieën over de samenstelling van het universum.Een van de meest verbazingwekkende voorspellingen van de kwantumfysica is dat materie volledig uit licht of fotonen kan worden gecreëerd, en in feite hebben objecten die pulsars worden genoemd deze prestatie bereikt. Het op deze manier direct genereren van materie is in het laboratorium nog niet gelukt, maar het zou helpen om fundamentele kwantumfysica-theorieën en de fundamentele samenstelling van het universum verder te testen.
In een recente studie gepubliceerd in Physical Review Letters simuleerde een onderzoeksteam onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Osaka de omstandigheden van foton-foton-botsingen met alleen lasers. Vanwege de eenvoudige installatie en het gemak van implementatie met bestaande laserintensiteiten, zullen er naar verwachting in de nabije toekomst experimenten worden uitgevoerd.
Theoretisch gezien is foton-fotonbotsing het basismiddel om materie in het universum te produceren. Het is afgeleid van Einsteins beroemde vergelijking E=mc². In feite hebben onderzoekers indirect materie uit licht gecreëerd: door metaalionen zoals goud met hoge snelheden in elkaar te laten overgaan. Bij zulke hoge snelheden wordt elk ion omgeven door fotonen, die bij het passeren van elkaar materie en antimaterie creëren.
In moderne laboratoria is het produceren van materie met alleen lasers echter een uitdaging, omdat lasers met extreem hoog vermogen nodig zijn. Het simuleren van hoe deze prestatie in het laboratorium wordt bereikt, zou tot experimentele doorbraken kunnen leiden, dus dat is wat de onderzoekers wilden doen.
"Simulatie-experimenten hebben aangetoond dat dicht plasma zichzelf kan organiseren in een foton-foton-botser wanneer het in wisselwerking staat met het sterke elektromagnetische veld van de laser", legt Dr. Sugimoto, eerste auteur van het onderzoek, uit. "Deze botser bevat een dichte zwerm gammastraling met een dichtheid die tien keer groter is dan de dichtheid van elektronen in plasma en een energie die een miljoen keer groter is dan de energie van fotonen in lasers."
Foton-fotonbotsingen in de botser produceren elektron-positronparen, en het door de laser gegenereerde elektrische plasmaveld versnelt de positronen. Hierdoor ontstaat een positronenbundel.
"Dit is de eerste simulatie van het versnellen van positronen uit een lineair Brett-Weller-proces onder relativistische omstandigheden", zegt co-auteur professor Arefiev van de Universiteit van Californië, San Diego. "Wij geloven dat ons voorstel experimenteel haalbaar is en we kijken ernaar uit om het in de echte wereld te implementeren."
Dr. Vyacheslav Lukin, directeur van het National Science Foundation-programma dat het werk ondersteunde, zei: "Dit onderzoek demonstreert een potentiële manier om de mysteries van het universum in een laboratoriumomgeving te onderzoeken. De toekomstige mogelijkheden van krachtige laserfaciliteiten vandaag en in de toekomst worden zelfs nog fascinerender."
Toepassingen van dit werk op de fictieve materie-naar-energie-conversietechnologie uit Star Trek blijven fictief. Toch heeft het werk het potentieel om theorieën over hoe het universum is gemaakt experimenteel te bevestigen, en kan het zelfs helpen bij het ontdekken van voorheen onbekende natuurkunde.
Referentie: K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, I-L. Yeh, K. Tangtartharakul, A. Arefiev en Y. Sentoku, 9 augustus 2023, "Fysieke recensiebrieven".
DOI:10.1103/PhysRevLett.131.065102
Samengestelde bron: ScitechDaily