Simulation der Entstehung von Materie aus Laserlicht

Ein Team unter der Leitung von Forschern der Universität Osaka und der University of California in San Diego zeigte mithilfe von Simulationen, wie man experimentell Materie nur aus Licht herstellen kann, was in Zukunft dazu beitragen könnte, alte Theorien über die Entstehung des Universums zu testen.

Eine der überraschendsten Vorhersagen der Quantenphysik ist, dass Materie ausschließlich aus Licht (d. h. Photonen) erzeugt werden kann, und tatsächlich vollbringen astronomische Objekte, sogenannte Pulsare, dieses Kunststück. Die direkte Erzeugung von Materie auf diese Weise ist im Labor noch nicht gelungen, wird aber weitere Tests grundlegender Theorien der Quantenphysik und der Grundstruktur des Universums ermöglichen.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Briefe zur körperlichen UntersuchungEin Team unter der Leitung von Forschern der Universität Osaka simulierte die Bedingungen, die dies ermöglichen würden Photon– Photonenkollisionen nur mit Lasern. Der einfache Aufbau und die einfache Implementierung bei derzeit verfügbaren Laserintensitäten machen es zu einem vielversprechenden Kandidaten für eine experimentelle Implementierung in naher Zukunft.

Bild eines selbstorganisierenden Photonenkolliders, der von einem intensiven Laserpuls angetrieben wird, der sich in einem Plasma ausbreitet. Bildnachweis: Yasuhiko Sentoku

Photon-Photon-Kollisionen gelten als grundlegendes Mittel zur Entstehung von Materie im Universum und ergeben sich aus Einsteins berühmter Gleichung E=mc2. Tatsächlich erzeugten die Forscher indirekt Materie aus Licht: indem sie Ionen von Metallen wie Gold mit hoher Geschwindigkeit gegeneinander beschleunigten. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten ist jedes Ion von Photonen umgeben, und wenn sie aneinander vorbeiziehen, entstehen Materie und Antimaterie.

Allerdings ist es aufgrund des Bedarfs an hochenergetischen Lasern schwierig, das Material in modernen Laboren experimentell nur mit Laserlicht herzustellen. Die Nachahmung dieser Leistung im Labor könnte zu einem experimentellen Durchbruch führen, und genau das haben sich die Forscher vorgenommen.

„Unsere Simulationen zeigen, dass die Wechselwirkung mit den intensiven elektromagnetischen Feldern eines Lasers intensiv ist Plasma „Es kann sich selbst organisieren und einen Photon-Photon-Kollider bilden“, erklärt Dr. Sugimoto, Hauptautor der Studie. „Dieser Collider enthält eine dichte Anordnung von Gammastrahlen, zehnmal dichter als die Elektronendichte in einem Plasma und eine Million Mal energiereicher als Photonen in einem Laser.“

Ein selbstorganisierender Photonenkollider, angetrieben durch einen intensiven Laserpuls (a) Plasmadichte, (b) magnetischer Kanal, (c) Winkelverteilung der emittierten Photonen. Bildnachweis: Physical Review Letters

Photon-zu-Photon-Kollisionen am Kollider erzeugen Elektron-Positron-Paare, und die Positronen werden durch ein vom Laser erzeugtes elektrisches Plasmafeld beschleunigt. Dadurch entsteht ein Positronenstrahl.

„Dies ist die erste Simulation der Positronenbeschleunigung aus einem linearen Bret-Wheeler-Prozess unter relativistischen Bedingungen“, sagt Professor Arivev, Co-Autor der University of California San Diego. „Wir glauben, dass unser Vorschlag experimentell umsetzbar ist, und freuen uns auf die praktische Umsetzung.“ „Diese Forschung zeigt einen möglichen Weg auf, die Geheimnisse des Universums in einer Laborumgebung zu erforschen“, sagt Dr. Vyacheslav Lukin, Programmdirektor der US-amerikanischen National Science Foundation, die die Arbeit unterstützt hat. „Die zukünftigen Möglichkeiten in der heutigen und zukünftigen Hoch- Energielaseranlagen werden immer spannender.“

Anwendungen dieser Arbeit auf die fiktive Materie-Energie-Umwandlungstechnologie in Star Trek bleiben reine Fantasie. Diese Arbeit hat jedoch das Potenzial, Theorien zur Entstehung des Universums experimentell zu bestätigen oder vielleicht sogar zur Entdeckung bisher unbekannter Physik beizutragen.

Referenz: „Positronenerzeugung und -beschleunigung in einem selbstorganisierenden Photonenkollider, ermöglicht durch einen ultraintensiven Laserpuls“ von K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, IL. Ja, K. Tangtartharakul, A. Ankunft wir. Sentoku, 9. August 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.065102