오사카 대학과 샌디에이고 캘리포니아 대학의 연구원들이 이끄는 팀은 시뮬레이션을 사용하여 빛만 사용하여 실험적으로 물질이 어떻게 생성될 수 있는지 보여주었습니다. 이는 미래에 우주 구성에 대한 오랜 이론을 테스트하는 데 도움이 될 수 있습니다.양자 물리학의 가장 놀라운 예측 중 하나는 물질이 전적으로 빛이나 광자로부터 생성될 수 있다는 것입니다. 실제로 펄서라고 불리는 물체가 이러한 위업을 달성했습니다. 이런 방식으로 물질을 직접 생성하는 것은 아직 실험실에서 이루어지지 않았지만, 이는 근본적인 양자물리학 이론과 우주의 근본적인 구성을 추가로 테스트하는 데 도움이 될 것입니다.
Physical Review Letters에 발표된 최근 연구에서 오사카 대학 연구진이 이끄는 연구팀은 레이저만을 사용하여 광자-광자 충돌 조건을 시뮬레이션했습니다. 기존 레이저 강도를 이용한 간단한 설정과 구현 용이성으로 인해 가까운 시일 내에 실험이 진행될 것으로 예상됩니다.
이론적으로 광자-광자 충돌은 우주에서 물질을 생성하는 기본 수단입니다. 이는 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc²에서 파생됩니다. 실제로 연구자들은 금과 같은 금속 이온을 고속으로 서로 가속시켜 간접적으로 빛으로부터 물질을 만들어냈습니다. 이러한 빠른 속도에서 각 이온은 광자로 둘러싸여 있으며, 서로 통과할 때 물질과 반물질이 생성됩니다.
그러나 현대 실험실에서는 매우 높은 출력의 레이저가 필요하기 때문에 레이저만을 사용하여 물질을 생산하는 것은 어려운 일입니다. 이 위업이 실험실에서 어떻게 달성되는지 시뮬레이션하면 실험적 혁신으로 이어질 수 있으므로 이것이 바로 연구자들이 시작한 일입니다.
“시뮬레이션 실험을 통해 고밀도 플라즈마가 레이저의 강력한 전자기장과 상호작용할 때 광자-광자 충돌기로 자가 조직될 수 있음이 입증되었습니다.”라고 이번 연구의 제1저자인 Sugimoto 박사는 설명합니다. "이 충돌체에는 플라즈마의 전자 밀도보다 10배 더 큰 밀도와 레이저의 광자 에너지보다 100만 배 더 큰 에너지를 가진 조밀한 감마선 떼가 포함되어 있습니다."
충돌기의 광자-광자 충돌은 전자-양전자 쌍을 생성하고, 레이저에 의해 생성된 플라즈마 전기장은 양전자를 가속시킵니다. 이것은 양전자빔을 생성합니다.
"이것은 상대론적 조건 하에서 선형 Brett-Weller 공정에서 양전자를 가속하는 최초의 시뮬레이션입니다."라고 샌디에이고 캘리포니아 대학의 공동 저자인 Arefiev 교수가 말했습니다. "우리는 우리의 제안이 실험적으로 실현 가능하다고 믿으며 이를 현실 세계에서 구현하기를 기대하고 있습니다."
이번 연구를 지원한 국립과학재단(National Science Foundation) 프로그램 책임자인 Vyacheslav Lukin 박사는 "이 연구는 실험실 환경에서 우주의 신비를 탐구할 수 있는 잠재적인 방법을 보여줍니다. 현재와 미래의 고출력 레이저 시설의 미래 가능성은 훨씬 더 매력적입니다."라고 말했습니다.
Star Trek에 등장하는 허구의 물질-에너지 변환 기술에 이 작업을 적용한 것은 허구입니다. 그럼에도 불구하고 이 연구는 우주가 어떻게 만들어지는지에 대한 이론을 실험적으로 확인하는 데 도움이 될 가능성이 있으며 이전에 알려지지 않은 물리학을 발견하는 데 도움이 될 수도 있습니다.
참조: K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, I-L. Yeh, K. Tangtartarakul, A. Arefiev 및 Y. Sentoku, 2023년 8월 9일, "Physical Review Letters".
DOI:10.1103/PhysRevLett.131.065102
컴파일된 소스: ScitechDaily