استخدم فريق بقيادة باحثين في جامعة أوساكا وجامعة كاليفورنيا في سان دييغو عمليات المحاكاة لتوضيح كيف يمكن إنشاء المادة تجريبيًا باستخدام الضوء فقط، والذي يمكن أن يساعد في المستقبل في اختبار النظريات القديمة حول تكوين الكون.أحد أكثر التنبؤات إثارة للدهشة في فيزياء الكم هو أن المادة يمكن أن تنشأ بالكامل من الضوء، أو الفوتونات، وفي الواقع، حققت الأجسام التي تسمى النجوم النابضة هذا العمل الفذ. لم يتم بعد توليد المادة مباشرة بهذه الطريقة في المختبر، لكنه سيساعد في اختبار نظريات فيزياء الكم الأساسية والتركيب الأساسي للكون.
في دراسة حديثة نشرت في مجلة Physical Review Letters، قام فريق بحث بقيادة باحثين في جامعة أوساكا بمحاكاة ظروف تصادمات الفوتون بالفوتون باستخدام أشعة الليزر فقط. ونظرًا للإعداد البسيط وسهولة التنفيذ مع شدة الليزر الحالية، فمن المتوقع إجراء التجارب في المستقبل القريب.
من الناحية النظرية، يعد اصطدام الفوتون بالفوتون هو الوسيلة الأساسية لإنتاج المادة في الكون. وهو مشتق من معادلة أينشتاين الشهيرة E=mc². في الواقع، قام الباحثون بتكوين المادة من الضوء بشكل غير مباشر: عن طريق تسريع أيونات المعادن مثل الذهب في بعضها البعض بسرعات عالية. عند هذه السرعات العالية، يكون كل أيون محاطًا بالفوتونات، والتي عند مرور بعضها البعض تخلق المادة والمادة المضادة.
ومع ذلك، في المختبرات الحديثة، يعد إنتاج المادة باستخدام أشعة الليزر فقط تحديًا، لأن هناك حاجة إلى أشعة ليزر عالية الطاقة للغاية. إن محاكاة كيفية تحقيق هذا الإنجاز في المختبر يمكن أن تؤدي إلى اختراقات تجريبية، وهذا ما شرع الباحثون في القيام به.
يوضح الدكتور سوجيموتو، المؤلف الأول للدراسة: "أثبتت تجارب المحاكاة أن البلازما الكثيفة يمكن أن تنظم نفسها ذاتيًا في مصادم فوتون-فوتون عند التفاعل مع المجال الكهرومغناطيسي القوي لليزر". "يحتوي هذا المصادم على سرب كثيف من أشعة جاما بكثافة أكبر بعشر مرات من كثافة الإلكترونات في البلازما وطاقة أكبر بمليون مرة من طاقة الفوتونات في الليزر."
تنتج اصطدامات الفوتون بالفوتون في المصادم أزواجًا من الإلكترون والبوزيترون، ويعمل مجال البلازما الكهربائي الناتج عن الليزر على تسريع البوزيترونات. وهذا يخلق شعاع البوزيترون.
وقال المؤلف المشارك البروفيسور أريفيف من جامعة كاليفورنيا، سان دييغو: "هذه هي أول محاكاة لتسريع البوزيترونات من عملية بريت-ويلر الخطية في ظل الظروف النسبية". "نعتقد أن اقتراحنا ممكن من الناحية التجريبية ونتطلع إلى تنفيذه في العالم الحقيقي."
وقال الدكتور فياتشيسلاف لوكين، مدير برنامج مؤسسة العلوم الوطنية الذي دعم العمل: "يوضح هذا البحث طريقة محتملة لاستكشاف أسرار الكون في بيئة معملية. وتصبح الإمكانيات المستقبلية لمرافق الليزر عالية الطاقة اليوم وفي المستقبل أكثر روعة".
تظل تطبيقات هذا العمل على تقنية تحويل المادة إلى طاقة الخيالية الموجودة في ستار تريك وهمية. ومع ذلك، فإن هذا العمل لديه القدرة على المساعدة في تأكيد نظريات كيفية تشكل الكون تجريبيًا، وربما يساعد أيضًا في اكتشاف فيزياء لم تكن معروفة سابقًا.
المرجع: K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, I-L. Yeh, K. Tangtartharakul, A. Arefiev and Y. Sentoku، 9 أغسطس 2023، "رسائل المراجعة البدنية".
دوى:10.1103/PhysRevLett.131.065102
المصدر المجمع: ScitechDaily