Các nhà vật lí làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lí Blackett ở trường Đại học Imperial College London vừa thiết kế một thí nghiệm xác thực một trong những giả thuyết trêu ngươi nhất trong lĩnh vực điện động lực học lượng tử: lí thuyết cho rằng vật chất có thể được tạo ra từ ánh sáng thuần túy.
Khởi nguồn từ một buổi thảo luận vào một ngày nọ diễn ra bên vài tách cà phê, ba nhà vật lí – hai người ở trường Imperial College và một người đến từ Viện Max Planck ở Heidelberg, Đức – nhận ra rằng nghiên cứu của họ về năng lượng nhiệt hạch cũng có thể mang lại các khả năng trong lí thuyết ánh sáng tạo ra vật chất, cái được đề xuất trong một lí thuyết do hai người Mĩ, Breit và Wheele, nêu ra cách nay đã 80 năm. Hai nhà vật lí này lập luận rằng bởi vì các cặp electron-positron phân hủy tạo ra hai hoặc nhiều photon, nên các photon va chạm cũng phải tạo ra các cặp electron-positron (hay cặp Breit-Wheele).
Các nhà nghiên cứu tại trường Imperial College London đã nghĩ ra một phương pháp đơn giản tạo ra vật chất từ ánh sáng, sử dụng mức năng lượng thấp hơn trước đây người ta vẫn nghĩ.
Trong nỗ lực thiết kế một thí nghiệm tạo ra các cặp Breit-Wheele này, bộ ba nhà vật lí trên đề xuất một quá trình hai giai đoạn. Trước tiên, một chùm electron năng lượng cao gồm các electron được gia tốc trong một chân không lên gần tốc độ ánh sáng sẽ được chiếu vào một tấm bia vàng nguyên chất dày vài mili-mét. Thông qua một quá trình gọi là “Bremsstrahlung” (tiếng Đức có nghĩa là “Hãm bức xạ”), các electron năng lượng cao bắn phá vào bia sẽ mất động năng nhưng, đồng thời, giải phóng các photon tia gamma.
Thứ hai, một từ trường bên trong thiết bị sẽ chuẩn trực và hướng chùm photon tia gamma này vào một hohlraum (tiếng Đức nghĩa là “hộp cộng hưởng”). Đồng thời, để đảm bảo rằng mọi cặp electron-positron mới được tạo ra tại điểm này sẽ được tách ra bởi một từ trường ngăn chặn khác, hohlraum sẽ được bắn phá với một chùm laser năng lượng cao biến nó thành một buồng bức xạ nhiệt vật đen. Khi chùm photon năng lượng cao đi vào hộp cộng hưởng, chúng sẽ chuyển lên một trạng thái siêu kích thích trong đó chúng sẽ va chạm hàng loạt với các photon được tạo ra do laser chiếu vào hohlraum và, nếu mọi thứ diễn ra như kế hoạch, hàng trăm nghìn cặp Breit-Wheele sẽ được tạo ra, hình thành một chùm liên tục đi ra khỏi hộp cộng hưởng. Thật vậy, theo như dự đoán, nếu sử dụng một chùm electron 2 GeV và một laser hohlraum 400 eV, thì sẽ thu được khoảng 100.000 cặp electron-positron.
Sơ đồ các bộ phận chính của máy va chạm photon-photon
Nếu thí nghiệm này thành công, nó sẽ không chỉ là đại diện cho sự hiện thực hóa đầu tiên của một máy va chạm photon-photon thuần túy, mà còn là một phương pháp dùng ánh sáng để tạo ra vật chất ở cấp năng lượng thấp hơn so với trước đây người ta vẫn nghĩ. Và, không đòi hỏi sử dụng một máy gia tốc hạt khổng lồ, nó có thể dễ dàng được thực hiện trong một phòng thí nghiệm tầm trung.
Với khả năng mở ra một phương pháp đơn giản, năng lượng tương đối thấp, để nghiên cứu một trụ cột của lí thuyết điện động lực học lượng tử, đề xuất này sẽ cho phép nhiều nhà nghiên cứu dấn thân vào lĩnh vực này. Nếu được triển khai thành công, đề xuất này có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những quá trình xảy ra trong 100 giây đầu tiên của vũ trụ và có lẽ còn làm sáng tỏ thêm về nhiều bí ẩn của không gian sâu thẳm: các vụ nổ tia gamma tỏa ra từ những ngôi sao khổng lồ đang bùng nổ.
Bảy cách đơn giản cho ánh sáng và vật chất tương tác. Ảnh: Oliver Pike, Imperial College London
Cuối cùng, việc xác thực lí thuyết Breit-Wheele cũng sẽ củng cố cho lí thuyết thứ bảy và là lí thuyết cuối cùng trong các lí thuyết chủ đạo mô tả những cách thức đơn giản trong đó ánh sáng và vật chất tương tác với nhau. Trong số những lí thuyết này có lí thuyết năm 1930 của Dirac về sự hủy cặp electron và positron, lí thuyết năm 1905 của Einstein về hiệu ứng quang điện, và sự phân hủy photon độc thân của Blackett và Occhialini. Đó là những lí thuyết giành giải thưởng Nobel.
Các chi tiết của nghiên cứu trên được công bố trên số ra tuần này của tạp chí Nature Photonics.
Nguồn: Imperial College London, Gizmag.com
