E = mc². Se on yksi astrofysiikan perus- ja perustavanlaatuisimmista yhtälöistä. Mutta se tekee enemmän kuin viittaa siihen, että massa ja energia ovat yhteydessä toisiinsa, se tarkoittaa, että valo voidaan muuttaa fyysisesti aineeksi.
Mutta voiko se todella - fyysisesti - tehdä? Tiedemiehet ehdottivat teoriaa yli 80 vuotta sitten, mutta vasta tänään he ovat tasoittaneet tietä tämän muutoksen tekemiseen rutiininomaisesti maan päällä.
Konsepti vaatii uudenlaisen fotoni-fotoni-törmäyttimen. Se kuulostaa tieteiskirjallisuudesta, mutta se voitaisiin muuttaa todeksi olemassa olevan tekniikan avulla.
'Vaikka teoria on käsitteellisesti yksinkertainen, sitä on ollut erittäin vaikea varmistaa kokeellisesti', sanoi johtava tutkija Oliver Pike Lontoon Imperial Collegesta. Lehdistötiedote . 'Pystyimme kehittämään törmäimen ideaa erittäin nopeasti, mutta ehdottamamme kokeellinen suunnittelu voidaan toteuttaa suhteellisen helposti.'
Vuonna 1934 kaksi fyysikkoa Gregory Breit ja John Wheeler ehdottivat, että valon pitäisi olla mahdollista muuttaa aineeksi murskaamalla yhteen vain kaksi fotonia, valon perushiukkasia, elektronin ja positronin luomiseksi. Se oli yksinkertaisin koskaan ennustettu menetelmä muuttaa valo aineeksi, mutta sitä ei ole koskaan havaittu laboratoriossa.
Aiemmat kokeet ovat vaatineet massiivisten korkeaenergisten hiukkasten lisäämistä. Olemme nähneet ydinaseiden ja fissioreaktorien kehityksestä, että pieni määrä ainetta voi tuottaa valtavan määrän energiaa. Joten näyttää siltä, että Breitin ja Wheelerin teoria vaatisi päinvastaisen vaikutuksen: valtavat määrät energiaa fotoneista tuottamaan pienen määrän ainetta.
Tämä koe on ensimmäinen siinä mielessä, että se ei vaadi massiivisten korkeaenergisten hiukkasten lisäämistä. Se suoritetaan puhtaasti fotoneista.
Konsepti vaatii korkean intensiteetin laserin käyttöä elektronien nopeuttamiseksi juuri valon nopeuden alapuolelle ja sen sitten murskaamaan ne kultalevyksi, jolloin syntyy fotoninsäde, joka on miljardi kertaa näkyvää valoa energisempi. Samaan aikaan toinen lasersäde puhallettaisiin hohlraumiin - pieneen kultasäiliöön, joka tarkoittaa saksaksi 'tyhjää tölkkiä' -, joka loisi säteilykentän, jossa fotonit sumisevat sisällä.
Alkuperäinen fotonisäde suunnattaisiin hohlraumin keskustaan. Kun kahdesta lähteestä peräisin olevat fotonit törmäävät, osa niistä muuttuisi elektronien ja positronien pareiksi. Ilmaisin poimi sitten allekirjoitukset aineesta ja antimateriaalista, kun ne lensivät ulos säiliöstä.
Valon ja aineen vuorovaikutusta kuvaavat teoriat. Kuvan luotto: Oliver Pike, Imperial College London
'Muutaman tunnin etsiessämme hohlraumien sovelluksia niiden perinteisen roolin ulkopuolella fuusioenergiatutkimuksessa, olimme hämmästyneitä siitä, että ne tarjosivat täydelliset olosuhteet fotonitörmätäjän luomiseen', Pike sanoi. 'Kilpailu kokeen suorittamisesta ja loppuun saattamisesta on käynnissä!'
Jos demonstraatio toteutetaan onnistuneesti, se olisi uudenlainen korkean energian fysiikan koe. Se täydentäisi fyysikkojen luetteloa perustavoista, joilla valo ja aine ovat vuorovaikutuksessa, ja molemmat loisi prosessin, joka oli tärkeä 100 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen, ja prosessin, joka näkyy gammasäteilypurkauksissa, kosmoksen voimakkaimmissa räjähdyksissä.
The paperi on julkaistu Nature Photonicsissa.