تولید ماده و پادماده از برخورد فوتون‌ها

مجله علمی ایلیاد - ۸ دهه پیش نظریه‌ای مطرح شده بود که پیش‌بینی می‌کرد بتوان از برخورد فوتون‌ها، «ماده» و «پادماده» تولید کرد. اکنون فیزیکدانان توانسته‌اند این نظریه را اثبات کنند.

اگر یک الکترون در حالت استراحت به‌وسیله‌ی همتای پادماده‌ی خود «پوزیترون» خنثی شود، در این فرآیند دو فوتون آزاد می‌شود. در سال ۱۹۳۴ این نظریه مطرح شد که اگر این فرآیند معکوس شود، می‌توان جفت الکترون-پوزیترون را تولید کرد. در آن زمان فیزیکدانان امکان انجام برخورد اشعه‌ی گاما را در تجهیزات موجود غیرممکن می‌دانستند و پیشنهاد دادند به جای آن از برخورد فوتون‌های ناشی از هسته‌های باردار استفاده شود.

در آن زمان امکان چنین آزمایش‌هایی فراهم نبود، زیرا حتی لیزر نیز وجود نداشت. محققین پیشنهاد داده بودند که با شتاب دادن یون‌های سنگین می‌توان این کار را انجام داد. اکنون فیزیکدانان این کار را با تجهیزات موجود در تاسیسات آزمایشگاه ملی «RHIC» انجام داده‌اند.

هر یون طلا دارای ۷۹ پروتون است و بار مثبت قدرتمندی دارد. شتاب دادن چنین یون سنگینی تا سرعت‌های بالا باعث ایجاد میدان مغناطیسی قدرتمندی می‌شود. اگر سرعت به اندازه‌ی کافی بالا رود، میدان مغناطیسی مدور می‌تواند به اندازه‌ی میدان الکتریکی متقاطع بر آن باشد. چینش اینچنینی که میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی هم قدرت بر یکدیگر متقاطع باشند، دقیقاً همان چیزی است که فوتون نامیده می‌شود. بنابراین اگر یون‌ها با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کنند، در اطراف هسته‌ی یون فوتون‌های زیادی ایجاد می‌شود که همراه با یون مانند ابر حرکت می‌کنند.

در تاسیسات RHIC فیزیکدانان توانسته‌اند یون‌های طلا را با سرعت ۹۹.۹۹۵ درصد سرعت نور حرکت دهند. زمانی که دو ابر فوتونی در جهت‌های متفاوت با انرژی و شدت کافی از کنار یکدیگر عبور داده می‌شوند، حتی اگر یون‌هایی که از کنار یکدیگر عبور می‌کنند با یکدیگر برخورد نکنند نیز میدان‌های ایجاد شده توسط فوتون‌ها با یکدیگر برهمکنش دارند.

محققین با انجام آزمایش برخورد یون‌های طلا با یکدیگر توانسته‌اند ۶،۰۸۵ زوج الکترون-پوزیترون را مشاهده کنند. آن‌ها در این آزمایش شواهد مستقیم تولید ماده و پادماده را از برخورد نور مشاهده کرده‌اند.

این آزمایش به محققین نشان داده است که چگونه ذرات نور می‌توانند با میدان‌های مغناطیسی قدرتمند ایجاد شده توسط یون‌های پُرشتاب برهمکنش داشته باشند. آن‌ها در واقع فوتون‌های اطراف یون‌های طلای موجود در یک پرتو نوری را به سمت یک میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط یون‌های شتاب داده شده در پرتو یون‌های طلا برخورد داده‌اند. رصد توزیع ذرات خارج شده نشان می‌دهد که نور قطبیده چگونه با میدان مغناطیسی واکنش می‌دهد.

این آزمایش اولین باری بود که بر روی زمین مشخص شد که قطبش نور بر روی برهمکنش نور با میدان مغناطیسی در خلاء نیز اثر می‌گذارد. نتایج این مطالعه در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است.