Vài phút sau Vụ nổ lớn, các hạt vật chất và phản vật chất đầu tiên được tạo ra, và hiện nay chúng ta đã quen thuộc với quá trình ngược lại trong mọi thứ, từ lửa trại đến bom nguyên tử: vật chất tạo ra năng lượng, nhưng rất khó để tái tạo quá trình chuyển đổi quan trọng từ ánh sáng sang vật chất. Hiện nay, một loạt mô phỏng mới của nhóm nghiên cứu do Alexey Arefeev thuộc Đại học California, San Diego đứng đầu đã chỉ ra cách tạo ra vật chất bằng ánh sáng. Quá trình này bắt đầu bằng cách chiếu tia laser công suất cao vào mục tiêu để tạo ra từ trường mạnh như từ trường của sao neutron.
Trường này tạo ra bức xạ tia gamma, va chạm với nhau, tạo thành cặp hạt vật chất và phản vật chất trong khoảnh khắc cực ngắn. Arefiev, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, cho biết: "Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Physical Review Applied, cung cấp một phương pháp mà các nhà thực nghiệm tại cơ sở laser công suất cao của Cơ sở hạ tầng ánh sáng cực mạnh Đông Âu (ELI) có thể mô phỏng để tạo ra kết quả thực tế trong vòng một đến hai năm. Những phát hiện của nghiên cứu này cho phép các nhà khoa học thăm dò một quá trình cơ bản trong vũ trụ lần đầu tiên".
Khai thác sức mạnh của công suất cực cao
Các đồng nghiệp của nhóm nghiên cứu trong Nhóm mô phỏng Laser-Plasma tương đối tính đã nghiên cứu trong nhiều năm cách tạo ra các chùm bức xạ năng lượng cực mạnh, có định hướng và nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia và Văn phòng nghiên cứu khoa học của Không quân. Một cách để đạt được điều này là chiếu tia laser công suất cao vào mục tiêu để tạo ra từ trường rất mạnh, từ đó giải phóng năng lượng mạnh mẽ. Các xung laser cực ngắn, cường độ cao nhắm vào các mục tiêu dày đặc có thể làm cho chúng "tương đối trong suốt" vì các electron trong tia laser di chuyển với tốc độ rất gần với tốc độ ánh sáng, do đó trở nên nặng hơn.
Điều này ngăn không cho các electron của tia laser di chuyển để bảo vệ mục tiêu không bị tia laser bắn trúng. Khi tia laser đẩy qua các electron này, nó tạo ra một từ trường mạnh như lực hấp dẫn ở bề mặt của một sao neutron và mạnh hơn từ trường của Trái Đất hơn 100 triệu lần. Sẽ không ngoa khi nói rằng tất cả những điều này xảy ra chỉ trong chớp mắt, và từ trường tồn tại trong 100 femto giây (một femto giây bằng một phần mười giây - một phần nghìn tỷ giây). Nhưng "theo quan điểm của tia laser, trường này gần như tĩnh, và một lần nữa, theo quan điểm của tia laser, tuổi thọ của chúng ta có lẽ dài hơn tuổi thọ của vũ trụ. Trong bối cảnh này, tia laser công suất cao là tia laser trong phạm vi petawatt, trong đó một petawatt bằng một triệu watt.
Để so sánh, mặt trời cung cấp khoảng 174 petawatt bức xạ mặt trời cho toàn bộ tầng khí quyển phía trên của Trái đất và một đèn laser có thể cung cấp khoảng 0,005 watt điện để chiếu sáng một trang chiếu PowerPoint. Các mô phỏng trước đây đã chỉ ra rằng tia laser phải có công suất cao và nhắm vào một điểm nhỏ để tạo ra cường độ cần thiết cho từ trường đủ mạnh. Các mô phỏng mới cho thấy bằng cách tăng kích thước điểm hội tụ và tăng công suất tia laser lên khoảng 4 petawatt, cường độ tia laser có thể được giữ nguyên và vẫn tạo ra từ trường mạnh. Các mô phỏng cho thấy trong những điều kiện này, các electron được tăng tốc bằng laser của từ trường đã kích thích sự phát xạ các tia gamma năng lượng cao.
Cặp hạt
Một trong những điều thú vị là (các cặp electron-positron tạo ra) các cặp hạt vật chất và phản vật chất. Các hạt này có thể được tạo ra bằng cách va chạm hai chùm tia gamma hoặc bằng cách va chạm một chùm tia gamma với bức xạ vật đen, một vật thể hấp thụ mọi bức xạ chiếu vào nó. Các nhà khoa học đã thực hiện được kỳ tích biến đổi ánh sáng thành vật chất trước đây, đáng chú ý là trong một thí nghiệm năm 1997 tại Đại học Stanford, nhưng phương pháp đó đòi hỏi một luồng electron năng lượng cao bổ sung, trong khi phương pháp mới "chỉ sử dụng ánh sáng để tạo ra vật chất".
Thí nghiệm Stanford "tạo ra một cặp hạt khoảng một lần sau mỗi 100 lần". Một thí nghiệm tạo ra vật chất chỉ bằng ánh sáng đã mô phỏng chặt chẽ hơn các điều kiện trong vài phút đầu tiên của vũ trụ, cung cấp một mô hình cải tiến cho các nhà nghiên cứu với hy vọng tìm hiểu thêm về khoảng thời gian quan trọng này. Thí nghiệm này cũng có thể cung cấp nhiều cơ hội hơn để nghiên cứu các hạt phản vật chất, vẫn là một phần bí ẩn trong cấu tạo của vũ trụ. Ví dụ, các nhà khoa học tò mò muốn tìm hiểu thêm về lý do tại sao có vẻ như vật chất có nhiều hơn phản vật chất trong vũ trụ, trong khi hai thứ này phải tồn tại với số lượng bằng nhau.
Công viên Boco | Nghiên cứu/Từ: Đại học California, San Diego
