原子爆弾の爆発により光とエネルギーが発生しますが、エネルギーと光はどのようにして物質に戻るのでしょうか?

ビッグバンの数分後に、最初の物質粒子と反物質粒子が作られ、現在ではキャンプファイヤーから原子爆弾まで、あらゆるものにその逆のプロセスがあることはよく知られています。物質がエネルギーを生み出すのですが、光から物質への重要な遷移を再現するのは困難です。現在、カリフォルニア大学サンディエゴ校のアレクセイ・アレフィーエフ氏が率いる研究チームによる一連の新たなシミュレーションが、光で物質を作り出す道を示しています。このプロセスは、高出力レーザーをターゲットに照射して中性子星と同じくらいの強さの磁場を生成することから始まります。

このフィールドはガンマ線放射を生成し、それが互いに衝突して、ほんの一瞬の間、物質と反物質の粒子のペアを生成します。機械・航空宇宙工学准教授のアレフィエフ氏は次のように語った。「この研究は、フィジカル・レビュー・アプライド誌に掲載され、東ヨーロッパ極端光インフラストラクチャ（ELI）高出力レーザー施設の実験者が模倣して、1～2年以内に実際の結果を生み出すことができるアプローチを提供している。この研究結果により、科学者は初めて宇宙の基本的なプロセスを調査できるようになった。」

超高出力のパワーを活用する

相対論的レーザープラズマシミュレーショングループの研究チームの同僚たちは、超強力で指向性のある高エネルギー放射線ビームを作成する方法を何年も研究しており、この研究は国立科学財団と空軍科学研究局によって部分的に支援されている。これを実現する方法の 1 つは、高出力レーザーをターゲットに向け、非常に強力な磁場を作り出し、強力なエネルギーを放出することです。高密度のターゲットに向けられた高強度の超短レーザーパルスは、レーザー内の電子が光速に非常に近い速度で移動し、実質的に重くなるため、ターゲットを「比較的透明」にすることができます。

これにより、レーザーの電子の移動が防止され、ターゲットがレーザーに当たるのを防ぎます。レーザーがこれらの電子を通り過ぎると、中性子星の表面の重力と同じくらいの強さ、地球の磁場の 1 億倍以上の強さの磁場が生成されます。これらはすべて瞬く間に起こり、磁場は 100 フェムト秒 (1 フェムト秒は 10 分の 1 秒、つまり 1,000 兆分の 1 秒) 存在すると言っても過言ではありません。しかし、「レーザーの観点から見ると、場は準静的であり、また、レーザーの観点から見ると、私たちの寿命はおそらく宇宙の寿命よりも長い。この文脈における高出力レーザーは、ペタワット範囲のレーザーであり、ペタワットは100万ワットである。」

比較すると、太陽は地球の上層大気全体に約 174 ペタワットの太陽放射を放射しており、レーザー ポインターは PowerPoint スライドに電力を供給するために約 0.005 ワットの電力を供給できます。これまでのシミュレーションでは、十分に強い磁場に必要な強度を生成するには、レーザーを高出力にして小さな点に向ける必要があることが示されていました。新しいシミュレーションでは、焦点のサイズを拡大し、レーザー出力を約 4 ペタワットに高めることで、レーザーの強度を同じに保ちながら強力な磁場を生成できることが示されています。シミュレーションでは、これらの条件下では、磁場のレーザー加速電子が高エネルギーガンマ線の放出を刺激することが示されました。

粒子ペア

興味深いことの一つは、（電子と陽電子の対が）物質と反物質の粒子の対を生成することです。これらの粒子は、2 つのガンマ線ビームを衝突させることによって、またはガンマ線ビームを黒体放射（その上に当たるすべての放射を吸収する物体）と衝突させることによって生成されます。科学者たちはこれまでにも、特に1997年にスタンフォード大学で行われた実験で光を物質に変換するという偉業を成し遂げているが、その方法では高エネルギー電子の流れをさらに必要としたのに対し、新しい方法では「光を使って物質を作り出すだけ」である。

スタンフォードの実験では「100回に1回程度、粒子のペアが生成される」という。光のみを使って物質を創造した実験により、宇宙の最初の数分間の状況がより正確にシミュレートされ、この重要な期間についてさらに詳しく知りたいと願う研究者に改良されたモデルが提供される。この実験は、宇宙の構成において未だ謎に包まれている反物質粒子を研究するさらなる機会も提供する可能性がある。たとえば、科学者たちは、宇宙には物質と反物質が同じ量存在するはずなのに、なぜ物質のほうが反物質より多く存在するように見えるのか、その理由をもっと知りたいと思っています。

ボコパーク |研究/出典: カリフォルニア大学サンディエゴ校