Các nhà khoa học đã khám phá ra cách biến ánh sáng thành vật chất sau 80 năm tìm kiếm

Các lý thuyết mô tả mối tương tác ánh sáng và vật chất.

Các nhà khoa học vật lý thuộc Phòng thí nghiệm vật lý Blackett, Đại học Hoàng gia London đã khám phá ra cách tạo ra vật chất từ ánh sáng, một kỳ tích vốn được cho là điều không thể khi giả thuyết này lần đầu tiên được đưa ra vào 80 năm về trước.

Các nhà vật lý đã tìm ra một phương pháp khá đơn giản để chứng minh một giả thuyết đã được các nhà khoa học Breit và Wheeler lần đầu tiên đưa ra vào năm 1934. Breit và Wheeler cho rằng, có thể biến ánh sáng thành vật chất bằng va đập của hai hạt ánh sáng (photon) với nhau để tạo ra một electron và một positron, một phương pháp đơn giản nhất biến ánh sáng thành vật chất đã được dự đoán. Lập luận này về mặt lý thuyết được cho là đúng, nhưng Breit và Wheeler cũng không hy vọng bất cứ ai có thể chứng minh thực tế tiên đoán của họ. Điều đó chưa bao giờ được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm và những thí nghiệm trước đây để chứng thực điều đó cần bổ sung thêm các hạt nặng năng lượng cao.

Công trình nghiên cứu mới, được công bố trên Tạp chí Nature Photonics cho thấy lần đầu tiên giả thuyết Breit-Wheeler được chứng minh thực tế như thế nào. Thí nghiệm va đập photon-photon có thể chuyển hóa ánh sáng trực tiếp thành vật chất sử dụng một công nghệ có sẵn hiện nay sẽ là loại thí nghiệm vật lý năng lượng cao mới. Thí nghiệm này sẽ tái tạo lại quá trình vô cùng quan trọng trong 100 giây đầu tiên của vũ trụ và cũng được quan sát thấy trong các vụ nổ tia gamma, là những vụ nổ lớn nhất trong vũ trụ, một trong những bí ẩn lớn nhất chưa được giải đáp của khoa học vật lý.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu các vấn đề không liên quan trong năng lượng nhiệt hạch và họ nhận ra rằng điều đang nghiên cứu có thể áp dụng cho giả thuyết Breit-Wheeler. Bước đột phá đã được tạo ra trong sự cộng tác với một nhà vật lý lý thuyết của Viện Vật lý hạt nhân Max Planck.

Chứng minh giả thuyết Breit-Wheeler sẽ cung cấp mảnh ghép cuối cùng của một mảng câu đố vật lý mô tả những cách thức đơn giản nhất về mối tương tác ánh sáng và vật chất. Sáu mảnh ghép khác, trong đó có Lý thuyết Dirac năm 1930 về sự triệt tiêu các electron và positron và lý thuyết của Einstein năm 1905 về hiệu ứng quang điện, tất cả đều là những nghiên cứu đã đoạt giải thưởng Nobel (xem hình vẽ trên).

Giáo sư Steve Rose thuộc Khoa vật lý, Đại học Hoàng gia London cho biết: “Mặc dù tất cả các nhà vật lý đều thừa nhận giả thuyết Breit-Wheeler là đúng, nhưng họ đều không ngờ rằng điều đó sẽ xảy ra ngay trong phòng thí nghiệm. Giờ đây điều đáng ngạc nhiên là khám phá về cách làm thế nào để tạo ra vật chất trực tiếp từ ánh sáng lại có thể sử dụng một công nghệ hiện đã có. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy ý tưởng để thực hiện thí nghiệm mang tính bước ngoặt này”.

Thí nghiệm máy gia tốc hạt được các nhà khoa học đề xuất bao gồm hai bước chủ yếu. Thứ nhất, các nhà khoa học sẽ sử dụng tia laze cường độ cực mạnh để tăng tốc các electron đạt gần bằng vận tốc ánh sáng. Sau đó họ sẽ bắn các electron vào một panen bằng vàng để tạo nên một chùm photon có năng lượng cao gấp hàng tỷ lần so với ánh sáng nhìn thấy.

Trong bước thí nghiệm tiếp theo, các nhà khoa học sử dụng một chiếc hộp vàng nhỏ được gọi là “hohlraum” (theo tiếng Đức có nghĩa là “phòng trống”). Các nhà khoa học sẽ bắn tia laze năng lượng cao vào mặt bên trong của chiến hộp bằng vàng để tạo ra một trường bức xạ nhiệt qua đó tạo ra ánh sáng tương tự như ánh sáng phát ra từ các ngôi sao.

Sau đó họ sẽ định hướng chùm photon được tạo ra trong bước thí nghiệm ban đầu đi qua tâm của chiếc hộp, khiến cho chùm photon phát ra từ hai nguồn va đập vào nhau và tạo ra các electron và positron. Có thể phát hiện ra sự hình thành các electron và positron khi chúng thoát ra khỏi chiếc hộp.

Theo Oliver Pike, lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết, mặc dù lý thuyết khá đơn giản về khái niệm, nhưng để chứng minh bằng thực nghiệm là điều rất khó khăn. Chúng ta đã phát triển ý tưởng, và thiết kế thử nghiệm có thể thực hiện tương đối dễ dàng nhờ vào công nghệ hiện tại. Điều bất ngờ là chiếc hộp hohlraums, ngoài các ứng dụng truyền thống trong nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch, nó còn cung cấp các điều kiện hoàn hảo để tạo ra cỗ máy va đập photon.

Công trình nghiên cứu được tài trợ bởi Hội đồng nghiên cứu khoa học và kỹ thuật vật lý của Anh (EPSRC), Viện nghiên cứu John Adams về máy gia tốc và Công ty vũ khí nguyên tử AWE, được thực hiện phối hợp với Viện nghiên cứu Max Planck tại Kernphysik.

Theo Vista.vn