アインシュタインの有名な方程式で、初めて光から物質を生成

アインシュタインの有名な方程式で、初めて光から物質を生成 テクノロジー

アインシュタインの最も有名な方程式の1つを見事に実証した物理学者が、初めて純粋な光から物質を作り出したと発表しました。

アインシュタインの有名なE=mc2方程式によると、十分なエネルギーを持った2つの光子(光の粒子)を互いに衝突させると、電子とその反粒子である陽電子という形で物質が生成されるはずである。

しかし、この過程は、1934年にアメリカの物理学者グレゴリー・ブライトとジョン・ホイーラーによって初めて記述されましたが、長い間、物理学において最も観測が難しい過程の1つでもありました。主な理由は、衝突する光子が非常に高エネルギーのガンマ線である必要があり、人間はまだガンマ線レーザーを作ることができないからです。

しかし、ニューヨークにあるブルックヘブン国立研究所の研究者たちは、その代替え策を見つけたと考えています。同研究所の相対論的重イオン衝突型加速器1アメリカブルックヘブン国立研究所に存在する重イオン加速器である。現存する2つの重イオン加速器のうちの1つであり、スピン偏極させた陽子を衝突させることのできる唯一の加速器である。(RHIC)を用いて、この奇妙な変換現象の予測に近い測定値を得ることができました。

「ブルックヘブン研究所の物理学者であるZhangbu Xu氏は声明の中で、「ブライトとホイーラーは論文の中で、これがほとんど不可能であることにすでに気づいていました。レーザーはまだ存在していませんでした。しかし、ブライトとホイーラーは、重イオン2相対的に重い原子のイオンのことを指す。大体炭素以上の重たい原子のイオンのことを指すが、リチウム以上の物をさすこともある。加速器の分野で使われる用語で、重イオン加速器で加速してビームとし重粒子線として扱う。を加速するという方法を提案しました。そして、その代替案こそがRHICで行っていることなのです。」

研究者たちは、光子を直接加速する代わりに、2つのイオン(電子を失って正電荷を帯びた原子核)を大きなループの中で加速し、その後、衝突寸前の状態でお互いに送り込みました。イオンは光速に近い速度で運動する荷電粒子であるため、電磁場も一緒に運ばれ、その中には、「雲のようにイオンと一緒に移動する」現実ではない仮想光子がたくさん含まれていると、説明します。

仮想粒子とは、実在する粒子の間に存在する場の乱れとして、ごく短時間だけ存在する粒子のことです。現実の粒子と同じ質量は持たない(質量を持たない現実の粒子とは異なり、仮想光子には質量がある)。今回の実験では、イオンがニアミスしてすれ違ったとき、2つの仮想光子の雲が高速で移動し、あたかも実在するかのように振る舞いました。現実の仮想粒子が衝突して、非常にリアルな電子と陽電子のペアが生成され、科学者たちはそれを検出したのです。

ブライト-ホイーラー過程の真の観測、つまり仮想粒子を使って可能な限り真の観測を行うためには、物理学者たちは仮想光子が本物のように振る舞っていることを確認しなければなりませんでした。物理学者たちは、仮想光子の挙動を確認するために、実験で生成された6,000個以上の電子-陽電子ペアの角度を検出して分析しました。

2つの実在する粒子が衝突した場合、2次生成物は、2つの仮想粒子で作られた場合とは異なる角度で生成されるはずである。しかし、今回の実験では、仮想粒子の二次生成物は、実粒子の二次生成物と同じ角度で跳ね返っていた。つまり、研究者たちは、自分たちが見ている粒子が、あたかも本物の相互作用によって作られたかのように振る舞っていることを確認できたのです。ブライト-ホイーラー過程の実証に成功したのである。

また、システムのエネルギーと質量の分布も測定した。ブルックヘブン大学の物理学者ダニエル・ブランデンバーグは声明の中で、「これらは、本物の光子で起こるであろうことを理論的に計算した結果と一致しています」と述べている。

しかし、たとえ本物の粒子のように見えても、実験に使われた仮想光子は紛れもなく仮想のものです。このため、今回の実験がブライト-ホイーラー過程の真のデモンストレーションであったかどうかは疑問が残るが、物理学者が本物の光子でプロセスを示すことができるほど強力なレーザーを開発するまでの重要な第一歩であることは間違いありません。

Source:livescience,journal

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