Thành công việc tạo ra vật chất từ ánh sáng - Hiện thực hóa lý thuyết của hơn 80 năm trước

Bình luận Ánh Dương • 07:58, 01/09/21

Giúp NTDVN sửa lỗi

Sự va chạm của các hạt mang năng lượng của ánh sáng ở tốc độ đủ lớn sẽ tạo ra vật chất dưới dạng một electron và một phản vật chất đối lập với nó, một positron.

Nghiên cứu chứng minh một quá trình được dự đoán từ lâu để tạo ra vật chất trực tiếp từ ánh sáng - cộng với bằng chứng cho thấy từ tính có thể bẻ cong các photon phân cực trong chân không.

Các nhà khoa học nghiên cứu các vụ va chạm hạt trong Máy va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) —một cơ sở của Văn phòng Khoa học Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) để nghiên cứu vật lý hạt nhân tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của DOE — đã tạo ra bằng chứng xác thực cho hai hiện tượng vật lý được dự đoán hơn 80 năm trước. Các kết quả thu được từ một phân tích chi tiết của hơn 6.000 cặp electron và positron được tạo ra trong các vụ va chạm giữa các hạt với nhau tại RHIC và được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Phát hiện cơ bản là các cặp electron và positron - các hạt vật chất và phản vật chất - có thể được tạo ra trực tiếp bằng cách tạo ra sự va chạm giữa các photon năng lượng, là những “gói” lượng tử ánh sáng. Sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành vật chất này là hệ quả trực tiếp của phương trình E = mc2 nổi tiếng của Einstein, trong đó nói rằng năng lượng và vật chất (hoặc khối lượng) có thể hoán đổi cho nhau. Các phản ứng hạt nhân trong mặt trời và tại các nhà máy điện hạt nhân thường xuyên biến đổi vật chất thành năng lượng. Giờ đây, các nhà khoa học đã chuyển đổi năng lượng ánh sáng trực tiếp thành vật chất trong một bước duy nhất.

Hình ảnh minh họa việc tạo vật chất từ ánh sáng: Hai ion vàng (Au) (màu đỏ) chuyển động ngược chiều với vận tốc bằng 99,995% tốc độ ánh sáng (v, đối với vận tốc, = xấp xỉ c, tốc độ ánh sáng). Khi các ion đi qua nhau mà không va chạm, hai photon (dấu ? màu vàng) từ đám mây điện từ bao quanh các ion có thể tương tác với nhau để tạo ra một cặp vật chất - phản vật chất: một electron (e-) và positron (e +). Hình ảnh: Phòng thí nghiệm Brookhaven Natioinal
Hình ảnh minh họa việc tạo vật chất từ ánh sáng: Hai ion vàng (Au) (màu đỏ) chuyển động ngược chiều với vận tốc bằng 99,995% tốc độ ánh sáng (v, đối với vận tốc, = xấp xỉ c, tốc độ ánh sáng). Khi các ion đi qua nhau mà không va chạm, hai photon (dấu γ màu vàng) từ đám mây điện từ bao quanh các ion có thể tương tác với nhau để tạo ra một cặp vật chất - phản vật chất: một electron (e-) và positron (e +). Hình ảnh: Phòng thí nghiệm Brookhaven Natioinal

Kết quả thứ hai cho thấy đường đi của ánh sáng truyền qua từ trường trong chân không uốn cong khác nhau tùy thuộc vào cách ánh sáng đó bị phân cực. Sự lệch hướng phụ thuộc phân cực như vậy (được gọi là hiện tượng lưỡng chiết) xảy ra khi ánh sáng truyền qua một số vật liệu nhất định. (Hiệu ứng này tương tự như cách sự lệch hướng phụ thuộc vào bước sóng tách ánh sáng trắng thành cầu vồng). Nhưng đây là minh chứng đầu tiên về sự bẻ cong ánh sáng phụ thuộc vào phân cực trong chân không.

Cả hai kết quả đều phụ thuộc vào khả năng của máy dò RHIC’s STAR — Solenoid Tracker tại RHIC — để đo sự phân bố góc của các hạt được tạo ra trong các va chạm lướt qua của các ion vàng di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

Va chạm của những đám mây photon

Những khả năng như vậy đã không tồn tại khi các nhà vật lý Gregory Breit và John A. Wheeler lần đầu tiên mô tả khả năng giả thuyết của việc va chạm các hạt ánh sáng để tạo ra các cặp electron và các đối trọng phản vật chất của chúng, được gọi là positron, vào năm 1934.

“Trong bài báo của họ, Breit và Wheeler đã nhận ra rằng điều này gần như không thể thực hiện được”, nhà vật lý Zhangbu Xu tại Brookhaven Lab, thành viên của RHIC’s STAR Collaboration, cho biết. “Tia laze thậm chí còn chưa tồn tại! Nhưng Breit và Wheeler đã đề xuất một giải pháp thay thế: tăng tốc các ion nặng. Và sự thay thế của họ chính xác là những gì mà chúng tôi đang làm tại RHIC”.

Một ion về cơ bản là một hạt nhân nguyên tử, bị tước bỏ các điện tử của nó. Một ion của kim loại vàng, có 79 proton, mang điện tích dương cực mạnh. Việc gia tốc một ion nặng mang điện tích như vậy đến tốc độ rất cao sẽ tạo ra một từ trường mạnh mẽ xoay quanh ion — giống như dòng điện chạy qua một dây dẫn.

Máy dò STAR tại Máy va chạm Ion nặng Tương đối tính (RHIC) của Văn phòng Khoa học Năng lượng Hoa Kỳ đã đo sự phân bố theo góc của các hạt được tạo ra trong các vụ va chạm lướt qua của các ion vàng chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, để cung cấp bằng chứng cho hai hiện tượng vật lý được dự đoán cách đây hơn 80 năm. Hình ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
Máy dò STAR tại Máy va chạm Ion nặng Tương đối tính (RHIC) của Văn phòng Khoa học Năng lượng Hoa Kỳ đã đo sự phân bố theo góc của các hạt được tạo ra trong các vụ va chạm lướt qua của các ion vàng chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, để cung cấp bằng chứng cho hai hiện tượng vật lý được dự đoán cách đây hơn 80 năm. Hình ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven

“Nếu tốc độ đủ cao, cường độ của từ trường xung quanh có thể bằng cường độ của điện trường vuông góc”, Xu nói. Và sự sắp xếp của điện trường vuông góc và từ trường có cường độ bằng nhau thì chính xác đó là photon - một “hạt” ánh sáng được lượng tử hóa. “Vì vậy, khi các ion di chuyển gần với tốc độ ánh sáng, sẽ có một loạt các photon bao quanh hạt nhân kim loại vàng, di chuyển cùng với nó giống như một đám mây”.

Tại RHIC, các nhà khoa học gia tốc các ion vàng tới 99,995% tốc độ ánh sáng trong hai vòng gia tốc.

Xu nói: “Chúng ta có hai đám mây photon chuyển động ngược chiều nhau với đủ năng lượng và cường độ mà khi hai ion lướt qua nhau mà không va chạm, các trường photon đó có thể tương tác với nhau’’.

Các nhà vật lý của STAR đã theo dõi các tương tác đó và tìm kiếm các cặp electron-positron được dự đoán.

Nhưng những cặp hạt như vậy có thể được tạo ra bởi một loạt các quá trình tại RHIC, bao gồm thông qua các photon “ảo”, một trạng thái của photon tồn tại trong thời gian ngắn và mang một khối lượng hiệu dụng. Để chắc chắn các cặp vật chất-phản vật chất đến từ các photon thực, các nhà khoa học phải chứng minh rằng sự đóng góp của các photon “ảo” không thay đổi kết quả của thí nghiệm.

Để làm được điều đó, các nhà khoa học của STAR đã phân tích các dạng phân bố góc của mỗi electron so với đối tác của nó là positron. Các mẫu này khác nhau đối với các cặp được tạo ra bởi tương tác photon thực so với photon ảo.

“Chúng tôi cũng đo tất cả năng lượng, sự phân bố khối lượng và số lượng tử của các hệ thống. Chúng phù hợp với các tính toán lý thuyết về những gì sẽ xảy ra với các photon thực”, Daniel Brandenburg, thành viên Goldhaber tại Phòng thí nghiệm Brookhaven, người đã phân tích dữ liệu STAR về khám phá này, cho biết. Nhưng đây rõ ràng là bước tiến quan trọng đầu tiên để tương lai có thể trình diễn quy trình này bằng các photon thật.

Các nhà khoa học khác đã cố gắng tạo ra các cặp electron-positron từ sự va chạm của ánh sáng bằng cách sử dụng tia laze mạnh - chùm ánh sáng cường độ cao tập trung. Tuy nhiên, các photon riêng lẻ trong chùm tia cực mạnh đó vẫn chưa có đủ năng lượng, Brandenburg nói.

Một thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC vào năm 1997 đã thành công bằng cách sử dụng một quy trình phi tuyến tính. Các nhà khoa học ở đó trước tiên phải tăng năng lượng của các photon trong một chùm tia laze bằng cách cho nó va chạm với một chùm điện tử mạnh. Sự va chạm của các photon được tăng cường năng lượng đó với nhiều photon đồng thời trong một trường điện từ khổng lồ được tạo ra bởi một tia laser khác đã tạo ra vật chất và phản vật chất.

Brandenburg cho biết: “Kết quả của chúng tôi cung cấp bằng chứng rõ ràng về sự tạo ra một cách trực tiếp, trong một bước các cặp vật chất-phản vật chất từ sự va chạm của ánh sáng như dự đoán ban đầu của Breit và Wheeler. “Nhờ chùm ion nặng năng lượng cao của RHIC và các phép đo chính xác và ghi nhận lớn của máy dò STAR, chúng tôi có thể phân tích tất cả các phân bố động học với số liệu thống kê cao để xác định rằng kết quả thí nghiệm thực sự phù hợp với các va chạm photon thực”.

Ánh sáng phân cực trong chân không

Khả năng đo độ lệch cực nhỏ của các electron và positron của STAR được tạo ra gần như đối nghịch nhau trong những sự kiện này cũng giúp các nhà vật lý nghiên cứu cách các hạt ánh sáng tương tác với từ trường mạnh mẽ do các ion gia tốc tạo ra.

Chi Yang, một cộng tác viên lâu năm của STAR từ Đại học Sơn Đông, người đã dành toàn bộ sự nghiệp nghiên cứu các cặp electron-positron được tạo ra từ các quá trình khác nhau tại RHIC nói "Nhìn vào sự phân bố của các hạt phát ra cho chúng ta biết ánh sáng phân cực tương tác với từ trường như thế nào."

Ánh sáng phân cực: Hình minh họa này cho thấy cách ánh sáng với các hướng phân cực khác nhau (biểu thị bằng mũi tên màu đen) đi qua vật liệu theo hai đường khác nhau (chùm màu vàng). Đây được gọi là hiệu ứng lưỡng chiết. Kết quả từ RHIC cung cấp bằng chứng cho thấy hiện tượng lưỡng chiết cũng xảy ra trong từ trường trong chân không. Hình ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
Ánh sáng phân cực: Hình minh họa này cho thấy cách ánh sáng với các hướng phân cực khác nhau (biểu thị bằng mũi tên màu đen) đi qua vật liệu theo hai đường khác nhau (chùm màu vàng). Đây được gọi là hiệu ứng lưỡng chiết. Kết quả từ RHIC cung cấp bằng chứng cho thấy hiện tượng lưỡng chiết cũng xảy ra trong từ trường trong chân không. Hình ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven

Werner Heisenberg và Hans Heinrich Euler vào năm 1936, và John Toll vào những năm 1950, đã dự đoán rằng chân không không gian trống có thể bị phân cực bởi từ trường mạnh và chân không phân cực như vậy sẽ làm lệch đường đi của các photon tùy thuộc vào sự phân cực của photon. Trong luận án của mình, Toll cũng trình bày chi tiết cách thức hấp thụ ánh sáng của từ trường phụ thuộc vào sự phân cực và mối liên hệ của nó với chiết suất ánh sáng trong chân không. Sự lệch hướng phụ thuộc vào phân cực, hay còn gọi là lưỡng chiết, đã được quan sát thấy trong nhiều loại tinh thể. Gần đây cũng có một báo cáo về ánh sáng đến từ một ngôi sao neutron uốn cong theo cách này, có lẽ là do tương tác của nó với từ trường của ngôi sao. Nhưng không có thí nghiệm nào trên Trái đất phát hiện ra hiện tượng lưỡng chiết trong chân không.

Tại RHIC, các nhà khoa học đã đo lường sự phân cực của ánh sáng ảnh hưởng như thế nào đến việc liệu ánh sáng có bị từ trường “hấp thụ” hay không.

Điều này tương tự như cách kính râm phân cực chặn các tia nhất định đi qua nếu chúng không khớp với phân cực của thấu kính, Yang giải thích. Trong trường hợp của kính râm, ngoài việc ánh sáng lọt qua ít hơn, về nguyên tắc, bạn có thể đo sự gia tăng nhiệt độ của vật liệu thấu kính khi nó hấp thụ năng lượng của ánh sáng bị chặn. Ở RHIC, năng lượng ánh sáng được hấp thụ là thứ tạo ra các cặp electron-positron.

“Khi chúng ta xem xét các sản phẩm được tạo ra bởi tương tác photon-photon tại RHIC, chúng ta thấy rằng sự phân bố góc của các sản phẩm phụ thuộc vào góc phân cực của ánh sáng. Điều này chỉ ra rằng sự hấp thụ (hoặc đi qua) của ánh sáng phụ thuộc vào sự phân cực của nó”, Yang nói.

Đây là quan sát thực nghiệm đầu tiên trên Trái đất cho thấy sự phân cực ảnh hưởng đến tương tác của ánh sáng với từ trường trong chân không - hiện tượng lưỡng chiết chân không được dự đoán vào năm 1936.

“Cả hai phát hiện này đều dựa trên những dự đoán của một số nhà vật lý vĩ đại vào đầu thế kỷ 20”, Frank Geurts, giáo sư tại Đại học Rice, người đã chế tạo và vận hành các cấu phần máy dò “Thời gian chuyến bay” của STAR cần thiết cho phép đo này. “Các phát hiện này chỉ dựa trên việc thực hiện các phép đo cơ bản bằng các công nghệ và kỹ thuật phân tích mà chúng tôi đã phát triển tại RHIC”, ông nói.

Tham khảo: “Measurement of e+e- Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions” by J. Adam et al. (STAR Collaboration), 27 July 2021, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.052302



BÀI CHỌN LỌC

Thành công việc tạo ra vật chất từ ánh sáng - Hiện thực hóa lý thuyết của hơn 80 năm trước