Da tre fysikere fra Imperial College i London fik sig en kop kaffe sammen med en besøgende kollega fra det tyske Max Planck-institut for kernefysik i Heidelberg, begyndte de at snakke om, hvordan det i praksis kunne være muligt at forvandle lys til stof.
Nu ligger skitsen til en foton-foton-collider klar. Så er det bare at komme i gang med at konstruere den. Fysikerne har beskrevet ideen i en artikel i Nature Photonics.
At to fotoner kan bankes sammen og blive til en elektron og en positron (elektronens antipartikel), har været kendt siden 1934, da fysikerne Gregory Breit og John A. Wheeler beskrev processen. Det er for så vidt elementær kvanteelektrodynamik, at det kan lade sig gøre at forvandle lys til stof på denne simple måde, men i praksis har det indtil nu ikke været muligt at gøre det.
For at frembringe elektron-positron-parret skal man bruge en kollision mellem to fotoner, der har en samlet energi på over 2mc², hvor m er elektronens hvilemasse, og c er lysets hastighed i vakuum.
Fotonerne i synligt lys har langt fra tilstrækkeligt energi. Man skal have fat i fotoner med energier, der måles i gigaelektronvolt. Så det gælder altså om at frembringe ekstremt energirige gammastråle-fotoner og samle mange fotoner på begrænset plads, at nogle af dem kolliderer og bliver til elektroner og positroner.
Det er lettere sagt end gjort, men nu foreslår fysikerne, at man fyrer en gammastråle ind i en lille guldcylinder (et hohlraum), der ved hjælp af en kraftig laser er opvarmet og derfor er fyldt med termisk stråling. Så vil nogle få af gammastråle-fotonerne vekselvirke med nogle af de termiske fotoner og blive til elektron-positron-par.
Gammastrålen kan frembringes ved at bombardere et guldfolie med en stråle af elektroner, der har hastigheder meget tæt på lysets. Når de ultrarelativistiske elektroner rammer guldet, udvikles der bremsestråling – en stråle af fotoner med den ønskede energi.
Forskerne har regnet ud, at det skulle være praktisk muligt at frembringe mere end 100.000 elektron-position-par, hver gang gammastrålen affyres. Positronerne kan frasorteres ved at afbøje deres baner i et magnetfelt og få dem til at give sig til kende, for eksempel gennem Cherenkov-stråling.
Nu kan eksperimentalfysikere gå i gang med at konstruere foton-foton-collideren efter de teoretiske fysikeres anvisninger, og det varer nok ikke mange måneder, før de første elektron-position-par er skabt af fotoner alene. Ifølge en pressemeddelelse fra Imperial College kan eksperimentet udføres relativt nemt og med eksisterende teknologi.
Med højere energier burde det også kunne lade sig gøre at skabe partikler opbygget af kvarker (hadroner), og foton-foton-collideren kan generelt bruges til at undersøge elementarpartiklers opførsel og måske forbedre teorierne bag dem.
Til gengæld skal man nok ikke sætte næsen op efter en replikator eller synthesizer som dem, der kendes fra science fiction-film, hvor man blot beder om at få produceret, hvad man nu har lyst til.
Leave a Reply