Великий адронний колайдер створює речовину зі світла

18.09.2020

Вчені під час експерименту на Великому адронному колайдері зафіксували
W-бозони - масивні частинки, що виникли при зіткненні електромагнітних полів. Як таке могло статися?

Великий адронний колайдер працює, щоб у відповідності з відомим рівнянням Альберта Ейнштейна E = mc², спочатку перетворити речовину на енергію, а потім повернути її назад у різні форми речовини. Проте в рідкісних випадках він може пропустити перший крок і спрацювати з чистою енергією у вигляді електромагнітних хвиль.

Торік на великому адронному колайдері у експерименті ATLAS вивчалася поведінка двох фотонів - частинок світла, які зіштовхуючись один з одним утворювали два нових фотони. Цього року дослідження були продовжені, і виявилося, що фотони також можуть зливатись і перетворюватись на щось ще більш цікаве: W-бозони, частинки, що переносять слабку взаємодію, яка обумовлює процес ядерного розпаду.

Отриманий результат ілюструє, що енергія і матерія є двома сторонами однієї медалі. Крім того, підтверджує, що при досить високих енергіях, взаємодії, які видаються зовсім відокремленими у нашому повсякденному житті - електромагнетизм та слабка взаємодія - насправді об’єднані.

.

Джерело: Ілюстрація від Sandbox Studio, Чікаго

Від безмасового до масивного
Якщо ви, перетнувши промені двох лазерних указок, спробуєте повторити вдома цей експеримент із зіткненням фотонів, то ви не зможете створити нові масивні частинки. Натомість ви побачите, як два промені поєднуються, утворюючи ще яскравіший промінь світла.

"Якщо поглянути назад і подивитися на рівняння Максвелла для класичного електромагнетизму, ви побачите, що дві хвилі, які стикаються, утворюють більшу хвилю", - говорить Сімона Пейган Грізо, науковий співробітник Національної лабораторії Лоуренса в Берклі Міністерства енергетики США. "Ми бачимо ці два явища, які нещодавно зафіксував ATLAS, коли складаємо рівняння Максвелла зі спеціальною теорією відносності та квантовою механікою у так званій теорії квантової електродинаміки".

Відображення експерименту ATLAS 2018 року відповідає утворенню пари W-бозонів з двох фотонів і подальшому розпаду W-бозонів на мюон та електрон (видно в детекторі) та нейтрино (не виявлено). Джерело: CERN

Усередині прискорювального комплексу CERN протони прискорюються до швидкості близької до швидкості світла.
Їх нормально округлі форми сплющуються вздовж напрямку руху, оскільки для процесів, що проходять у великому адронному колайдері, спеціальна теорія відносності переважає над класичними законами руху. Два вхідні протони виглядають один для одного як млинці, зі стисненим електромагнітним полем (протони заряджені, а всі заряджені частинки мають електромагнітне поле). Енергія великого адронного колайдеру у поєднанні із скороченням довжини підвищує силу електромагнітних полів протонів у 7500 разів.

Коли такі два протони торкаються один одного, їх стиснуті електромагнітні поля перетинаються. Ці поля пропускають класичний ефект "посилення", який відбувається при низьких енергіях, і натомість підпадають під правила, що визначаються квантовою електродинамікою. Завдяки ним ці два поля можуть злитись і стати «E» в E = mc².

"Якщо ви прочитаєте рівняння E = mc² справа наліво, то побачите, що невелика кількість маси виробляє величезну кількість енергії через константу c², тобто швидкість світла в квадраті", - говорить Алессандро Триколі, науковий співробітник Брукгейвенської національної лабораторії - штаб-квартири експерименту ATLAS у США, що фінансується Управлінням науки Міністерства енергетики США. "Але якщо ви подивитесь на формулу навпаки, то побачите, що вам потрібна величезна кількість енергії, щоб отримати навіть крихітну кількість маси".

Великий адронний колайдер - одне з небагатьох місць на Землі, де можна створювати та зіштовхувати один з одним енергетичні фотони, і це єдине місце, де вчені бачили, як два енергетичні фотони зливаються та перетворюються у масивні W-бозони.

Об’єднання сил
Створення W-бозонів з високоенергетичних фотонів є прикладом відкриття, яке принесло Шелдону Глешоу, Абдусу Саламу і Стівену Вайнбергу Нобелівську премію з фізики у 1979 році: при високих енергіях електромагнетизм і слабка взаємодія, це одне і те ж.

Електрика та магнетизм часто сприймаються як окремі сили. Зазвичай ніхто не боїться отримати удар струмом, коли ліпить магніт на холодильник. А електричні лампочки, у випадку, коли вони світяться, не прилипають до дверцят холодильника. То чому ж на електростанціях є знаки, що попереджають про сильні магнітні поля?

"Магніт є одним із проявів електромагнетизму, а електрика - іншим", - говорить Триколі. "Але це все електромагнітні хвилі, і ми бачимо їх об'єднання у наших повсякденних технологіях, таких як мобільні телефони, що дозволяють спілкуватись за допомогою електромагнітних хвиль".

При надзвичайно високих енергіях електромагнетизм поєднується зі ще одним фундаментальним процесом: слабкою взаємодією. Слабка взаємодія керує ядерними реакціями, включаючи синтез водню у гелій, що живить Сонце, і розпад радіоактивних атомів.

Так само, як фотони переносять електромагнітну силу, W-бозони і Z-бозони переносять слабку взаємодію. Причина, по якій фотони після зіткнення у великому адронному колайдері можуть створити W-бозони, полягає в тому, що при надзвичайно високих енергіях ці сили поєднуються, створюючи електрослабку силу.

"І фотони, і W-бозони є носіями сили, і вони обидва несуть електрослабку силу", - говорить Грізо. "Це явище насправді відбувається тому, що природа є квантово-механічною".

Джерело: SciTechDaily

Пов'язані товари

Повернутися