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光を物質に変える実験です


「光を物質に変える」理論上の可能性に挑む研究者たち(英研究)

理論上は光を物質に変えられるはずだ。だがそれを実現するのは控えめに言っても「言うは易し、行うは難し」である。

このことが理論化されて84年が経った今、一部の研究者はそれが可能かもしれないと考えた。そして、そのための実験がまさに始まろうとしている。

これはブライト=ホイーラー過程(Breit-Wheeler process)と呼ばれており、まさにアインシュタインの特殊相対性理論から導かれた式「E=mc2」のことを言っている。

光から物質を生む。理論上は可能でも実現不可能?

これが最初に記述されたのは1934年のこと、グレゴリー・ブライトとジョン・ホイーラーの論文においてだ。

論文で両名は、2つの光子(光の粒子)を衝突させれば、陽電子と電子が生じると提唱した。すなわち光から物質が生まれるということだ。

実行するのは容易いことではない。実際ブライトとホイーラーは不可能だとすら考えていた。

光子エネルギーを物質に変える挑戦

最近の科学者はもう少し楽観的だ。だが実験を行うには膨大なエネルギーの粒子が必要になるため、現時点では実験室で観測されたことはない。

インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者が、高エネルギー粒子がなくてもできる実験装置を考案したのは2014年のことだ。そして、ついに間もなく実験が実際に行われようとしている。

「これはアインシュタインの有名な公式E=mc2の純粋なデモンストレーションです」と物理学者スティーブ・ローズ教授は説明する。

「公式は物質がエネルギーに変えられる時に生じるエネルギーの量を述べています。私たちの実験は同じことを逆向きにやります。光子エネルギーを物質に変えるのです。つまりm=E/c2です」

この実験設備は光子光子衝突型加速器と呼ぶ。2つの超高出力レーザーを利用するもので、1つは可視光を作る光子のエネルギーの1000倍、もう1つは100万倍のエネルギーを持つ。

レーザーは光子を作るために使用され、これらを互いに衝突させる。

まずターゲットチャンバー内で電子が金板に放たれ、高エネルギーの光子ビームが作られる。次に、2つ目の高エネルギーレーザーが「ホーラム」という小さな金の筒に放たれ、熱放射場が作られる。

ここに光子ビームを通過するように向けると、2つの発生源で生じた光子が衝突する。上手くいけば、この衝突で電荷を帯びた陽電子を検出できるはずだ。

しかしデータの確認は、陽電子が別の背景プロセスで生じていないという確証を得るために、きわめて慎重に行わねばならない。そして成功すれば、ただ驚きなだけでなく、宇宙の理解も進めてくれることだろう。

「グレゴリー・ブライトとジョン・ホイーラーがこのメカニズムを1934年に提唱した時、彼らはそれを量子電磁力学という光と物質の相互作用の新理論として用いました」とスチュアート・マングルズ博士は話す。

「量子電磁力学に関する他の基本的予言はすべて実験で実証されましたが、二光子ブライト=ホイーラー過程は一度も観測されていません。それを実証できれば、宇宙が始まって最初の100秒という重要な期間やガンマ線バーストのプロセスを再現することになります。それは宇宙でも最大の爆発であり、物理学上最大のミステリーの1つです」

上手くいかない可能性もある。だがそれはそれで素晴らしい科学的成果だ。失敗したら、次にもっと上手くいくよう工夫できるからである。




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