Zhmotněné světlo

E = mc². Kdo by neznal notorickou Einsteinovu rovnici! Co je na ní tak fascinujícího, že se často objevuje na plakátech, na tričkách nebo v kreslených vtipech? Elegantní jednoduchost a snad i její význam – především vyjádření skutečnosti, že i tělesa v klidu mají ohromnou klidovou energii (rovnou klidové hmotnosti krát rychlost světla [3×10⁸ m/s] na druhou) a že jsou možné přeměny hmoty na energii a naopak.

Přeměna hmoty na elektromagnetické záření je děj, který umožňuje naši existenci – fotony ze Slunce nám přinášejí životodárnou energii, jež pohání živý stroj Země. Zdrojem této energie je termojaderná reakce, která stojí Slunce 4 miliony tun hmoty každou sekundu.

Obvykle se při různých reakcích uvolňuje jen malá část klidové energie, ale existuje i děj, kdy se uvolní celá. Je to reakce částice s antičásticí, např. anihilace elektronu s pozitronem, při které vznikají fotony – částice elektromagnetického pole, které mají nulovou klidovou hmotnost.

Co však opačný děj: přeměna elektromagnetického záření na hmotné částice? Ano, i takový podivný děj zhmotnění nehmotného záření je možný. Teoretické modely s touto možností počítají, ale experimentální důkaz je velmi obtížný. Podala jej až loni skupina vědců kolem lineárního urychlovače Stanfordovy univerzity v Kalifornii (viz Physical Review Letters 79,  1626, 1997). Problém takového experimentu spočívá v získání fotonů dostatečné energie. Například pro vznik elektronu a pozitronu reakcí dvou fotonů

(děj, který poprvé popsali roku 1934 G. Breit a J. A. Wheeler) by fotony musely mít ohromnou energii – více než milionkrát větší než fotony viditelného světla – muselo by se tedy použít velmi energetické záření gama. Dostatečně intenzivní zdroje fotonů – lasery – jsou ovšem dostupné zatím pouze v ultrafialové oblasti spektra (rentgenové lasery teprve pomalu přicházejí na svět).

Jak problém vyřešili američtí vědci? Z urychlovače získali proud elektronů s vysokou energií (viz obrázek). Proti němu namířili soustředěný paprsek laseru (pulzní laser v zelené oblasti viditelného spektra s plošným výkonem 10¹⁸ W na cm²!). Některé fotony se srazily s elektrony (Comptonův rozptyl), získaly tím ohromnou energii a vyrazily proti proudu fotonů laseru. Pak stačilo, aby takový foton zreagoval se čtyřmi či více fotony laseru, a již bylo pohromadě dost energie k vytvoření elektron-pozitronového páru. Výsledný děj odpovídal schématu:

Detekce byla zajištěna vychýlením elektronů a pozitronů do opačných směrů v magnetickém poli. Vytvořené elektrony se od elektronů z urychlovače lišily malou pohybovou energií.

Současná experimentální fyzika tak opět prokázala své rostoucí schopnosti ověřovat zásadní děje, tvořící základy teoretických modelů fungování světa.