Natuurkundigen hebben simulaties gemaakt waarbij ze materie kunnen maken uit lichtdeeltjes. Die simulaties leiden wellicht tot een photon-photon collider, waarmee onderzoekers het ontstaan van materie net na de oerknal kunnen bestuderen.
Credit: Nature Photonics
Natuurkundigen van het Imperial College London en het Max Planck Institute of Nuclear Physics hebben een manier bedacht om materie te maken uit lichtdeeltjes. De onderzoekers kunnen daarmee simuleren hoe materie ontstond tijdens de eerste seconden van het universum. De resultaten van het onderzoek verschijnen deze week in het vakblad Nature Photonics.
Het onderzoek borduurt voort op en theorie die natuurkundigen Gregory Breit en John Wheeler tachtig jaar geleden bedachten. Zij beschreven hoe je materie kon maken uit licht. Door twee lichtdeeltjes (fotonen) tegen elkaar te laten botsen kun je een elektron en een positron creëren, zo redeneerden de twee natuurkundigen. Hun berekeningen waren goed onderbouwd, maar verder dan een theorie kwam het niet door de technische beperkingen van die tijd.
Lichtbotsingen
De Britse en Duitse onderzoekers gingen aan de slag met de theorie van Breit en Wheeler. Door computersimulaties te maken met botsende lichtdeeltjes konden de onderzoekers een zogeheten photon-photon collider ontwerpen, een apparaat waar lichtdeeltjes veranderen in materie door tegen elkaar te botsen.
De photon-photon collider opent de deuren naar nieuwe vormen van hoge-energie-experimenten. Het simulatie-experiment van de theoretici kan een proces reconstrueren dat belangrijk was tijdens de eerste honderd seconden na het ontstaan van het universum. In het computerontwerp van de photon-photon collider sturen de onderzoekers een elektronenstraal door een gouden plaat, waarbij er remstraling ontstaat. Die straling ontstaat doordat het goud de elektronen afremt. De elektronenstraal verandert dan in een fotonenstraal die deeltjes bevat die een miljard keer meer energie hebben dan zichtbaar licht.
Die straal vuren de onderzoekers vervolgens af in de richting van een zogeheten Hohlraum, een gouden holle ruimte in een vacuüm waar de energie aan de buitenkant net zo groot is als die aan de binnenkant. Door met een krachtige laser op de buitenkant van de holte te schieten, wordt die zo heet dat hij warmtestraling gaat uitzenden. Daardoor kunnen de onderzoekers licht maken dat lijkt op het licht dat sterren uitstralen.
In die holle ruimte botsen de fotonen tegen elkaar, waardoor positronen en elektronen ontstaan. De onderzoekers kunnen de deeltjes detecteren zodra die uit de holte schieten.
‘Ondanks dat het in theorie simpel is, was het moeilijk om de theorie van Breit en Wheeler in praktijk te brengen’, zegt Oliver Pike, die het onderzoek leidde, in een persverklaring. ‘We zijn snel met het idee voor de photon-photon collider gekomen, omdat we ons experimentele ontwerp kunnen uitvoeren met bestaande technologieën. Maar nu moeten we het experiment nog echt in de praktijk brengen.’
Lees ook: