Onderzoekers zetten licht om in materie

E = mc² – Bijna iedereen kent de beroemde formule van Albert Einstein. Misschien is het idee hierachter voor mensen minder duidelijk: Einstein realiseerde zich al aan het begin van de vorige eeuw dat er een equivalentierelatie bestaat tussen materie en energie. Met andere woorden: energie en materie kunnen in elkaar worden omgezet. De natuurkundigen Gregory Brett en John Wheeler theoretiseerden al in 1934 dat energie in de belichaming van de vergelijking van Einstein in materie kon worden omgezet. Natuurkundigen zijn er nu in geslaagd deze omzetting in de praktijk te bevestigen.

Bijna 90 jaar theorie

We ervaren elke dag de transformatie van materie in energie. In de zon smelten de kernen van de arteriomen samen, waarbij energie vrijkomt in de vorm van straling, en dan bereikt het de aarde in de vorm van licht.

Brett en Wheeler postuleerden sinds 1934 de tegenovergestelde benadering. In hun theorie konden de natuurkundigen aantonen dat wanneer twee hoogenergetische fotonen botsen, materiedeeltjes kunnen worden gegenereerd, namelijk een elektron en een positron. Dit was echter slechts een theorie. En met een goede reden:Voor Brett Wheeler was het al duidelijk dat dit in de praktijk bijna onmogelijk zou zijnZei Zangbo Xu van Brookhaven National Laboratory.Voor deze directe conversie zou een laser nodig zijn die hoogenergetische gammastraalfotonen kan uitzenden in een sterk gefocuste bundel.Zo’n laser bestond niet in de tijd van Breit en Wheeler en bestaat nog steeds niet vandaag.

Een paar jaar geleden stelden natuurkundigen een manier voor waarop gewone lasers een soort kwantumfysische kettingreactie in gang kunnen zetten die materiedeeltjes kan genereren. Deze methode is echter niet experimenteel geïmplementeerd.

Een alternatieve weg naar succes

Brett en Wheeler postuleerden een andere manier om materie uit licht te produceren. De versnelde zware ionen worden gebruikt als lichtbron in plaats van de fotonenbundel. De sterke, positief geladen atoomkernen wekken met hoge snelheid elektromagnetische velden om zich heen. Onder bepaalde omstandigheden zijn hun fysieke eigenschappen vergelijkbaar met die van fotonen.

In theorie werkt het als volgt: terwijl het door een deeltjesversneller vliegt, wordt een zwaar ion omgeven door een soort wolk van lichte deeltjes die met elkaar interageren wanneer twee atoomkernen dicht bij elkaar vliegen. Sommige krachtig versnelde hoogenergetische lichtdeeltjes botsen met elkaar, wat resulteert in de vorming van elektronenparen en positronen.

Deze theorie is nu getest door Xu en zijn team van de STAR-samenwerking bij de Relative Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven.

Van theorie naar praktijk

In hun experiment versnelden de onderzoekers gouden kernen tot 99,99% van de lichtsnelheid en lieten vervolgens de bundels deeltjes met elkaar botsen. Daarna onderzochten ze de vervalproducten, op zoek naar elektronenparen en positronen waarvan de toestand overeenkwam met die voorspeld door het Breit-Wheeler-effect.

Natuurkundigen hebben 6.085 van deze paren gevolgd. De onderzoekers onderzochten ook of fotonen die in de buurt van atoomkernen worden gegenereerd, overeenkomen met de eigenschappen van gewone lichtdeeltjes.

„Onze resultaten leveren duidelijk bewijs voor de directe generatie, in een enkele stap, van materie- en antimaterieparen door lichte botsingen – zoals theoretisch beschreven door Breit en Wheeler‘, zegt Daniel Brandenburg van Brookhaven Laboratory, die: Het project was betrokken. Als de resultaten kunnen worden bevestigd, zal dit het eerste experimentele bewijs zijn van directe omzetting van licht in materie.

via Brookhaven National Laboratory

Deel het artikel of steun ons door een donatie te doen.