Choć John Wheeler nigdy nie otrzymał Nagrody Nobla, był jednym z najsłynniejszych fizyków teoretycznych poprzedniego wieku. To on wymyślił, by niezwykłe obszary czasoprzestrzeni, z których nic nie może uciec, nazwać „czarnymi dziurami”. Inne użyteczne określenia, których jest autorem, to „tunel czasoprzestrzenny”, „piana kwantowa” i „moderator neutronowy”.

Poza tym wkładem – nie tylko w fizykę, ale i kulturę – Wheeler ma na swoim koncie ważne prace dotyczące teorii unifikacji. A także opis pewnego procesu, który stworzył w 1934 r. razem z innym fizykiem Georgem Breitem. Ten proces, nazwany procesem Breita-Wheelera, uważany jest za jedną z najtrudniejszych teorii fizycznych do potwierdzenia eksperymentalnie. Nic dziwnego – opisuje bowiem, jak światło może zamienić się w materię.

Fizycy z Narodowego Laboratorium Brookhaven ogłosili jednak właśnie, że znaleźli dowód na jej potwierdzenie – eksperymentalny i ich zdaniem najmocniejszy ze wszystkich, jakie do tej pory udało się przedstawić. Ich pracę opublikowało czasopismo „Physical Review Letters”.

Jak z fotonów powstaje materia

Proces Breita-Wheelera to teoria mówiąca, że jeżeli odpowiednio mocno zderzy się dwa fotony – czyli kwanty światła – to powstanie para elektron-pozyton – czyli materia i antymateria. To właśnie działo się przez pierwsze sto sekund po Wielkim Wybuchu: z chmury zderzających się wysokoenergetycznych fotonów zaczęły wyłaniać się pary cząstek i antycząstek.

Teoria opiera się na nieco wcześniejszych obliczeniach Paula Diraca i wynika z prac Einsteina. Ma więc bardzo mocne podstawy, jednak stanowi gigantyczne wyzwanie dla fizyków eksperymentalnych. Jak zaprojektować test, który by ją potwierdził? By to zrobić, potrzebne są odpowiednie fotony – fotony gamma z promieniowania gamma. Ich uzyskanie jest na razie niewykonalne, ponieważ nikt nie wpadł jeszcze na to, jak zbudować laser emitujący promieniowanie gamma.

W 2014 r. głośno było o koncepcji grupy fizyków z Imperial College London, którzy zaproponowali, by za pomocą zwykłego lasera rozpędzić elektrony do prędkości relatywistycznych (czyli bliskich prędkości światła) i skierować je na złotą płytkę. Miało to doprowadzić do emisji fotonów o odpowiedniej energii i ich zderzeń, w rezultacie których powinny powstawać pary elektron pozyton. Koncepcję wieńczyła propozycja budowy zupełnie nowego typu zderzacza cząstek.

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven poszli jednak inną drogą – wykorzystali już istniejący zderzacz - Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – i wymyślili bardzo sprytny eksperyment.

Jak zrobić materię ze światła

Co Zderzacz Relatywistycznych Ciężkich Jonów ma wspólnego z fotonami? Urządzenie służy do przyspieszania jąder atomowych – czyli atomów „odartych” z elektronów – do gigantycznych prędkości. W tym przypadku użyto jonów złota, mających aż 79 protonów i duży ładunek dodatni.

Jak to w zderzaczach, przyspieszono je do prędkości sięgającej 99,995 proc. prędkości światła. Jony złota zaczęły wówczas emitować pole magnetyczne, które przecinało się z polem elektromagnetycznym urządzenia. Ten proces zaowocował powstaniem fotonów. – Kiedy jony złota pędzą z prędkością bliską prędkością światła, pojawiają się fotony otaczające jądra atomowe niczym chmura – tłumaczy Zhangbu Xu, jeden z fizyków zaangażowanych w badania.  

I tu wracamy do teorii Breita-Wheelera. Kiedy zdarzy się tak, że dwa jony złota miną się bardzo blisko, dwie chmury towarzyszących im fotonów wpadną na siebie i kwanty zaczną się zderzać. Tych zderzeń nie da się zarejestrować, ale pojawiające się w ich wyniku elektrony i pozytony – tak.

I tego właśnie udało się dokonać naukowcom z Laboratorium Brookhaven.

To jeszcze nie jest kompletny dowód

Niestety zwycięstwo nie może zostać jeszcze odtrąbione, istnieje bowiem pewne ale. Otóż w opisanym procesie nie powstały prawdziwe fotony, tylko fotony wirtualne. Teoria Breia-Wheelera opisuje zaś zderzenia nie cząstek wirtualnych, tylko rzeczywistych.

I choć naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven skrupulatnie przyjrzeli się aż 6 tys. par elektronów i pozytonów, które udało im się wyprodukować, i stwierdzili, że odpowiadają parom, jakie powstałyby ze zderzenia fotonów rzeczywistych, nie jest to bezpośredni dowód prawdziwości teorii Breita-Wheelera.

- Nasz eksperyment dostarcza jasnego dowodu na bezpośrednie tworzenie się par cząstek materii i antymaterii, tak jak przewidzieli Breit i Wheeler – twierdzi jednak fizyk Daniel Brandenburg z Brookhaven. – Rezultaty były zgodne z procesem Breita-Wheelera – dodaje.

Nie ma wątpliwości, że fizycy będą dalej badać ten proces. Jego analiza może bowiem dostarczyć nowych informacji i o wysokoenergetycznych rozbłyskach gamma, i o początkach Wszechświata. Zaś wymyślenie urządzeń, które mogłyby ze światła tworzyć materię – i antymaterię na dodatek – mogłoby oznaczać skok technologiczny, jaki na razie w ogóle trudno sobie wyobrazić.

Źródło: ScienceAlert, Physical Review Letters