Přeměna fotonů na částice s nenulovou klidovou hmotností pozorována již dávno

Článek Zhmotněné světlo (J. Valenta, Vesmír 77, 128, 1998/3) se dotýká základů našeho chápání fyzikální reality, a proto by měl velice opatrně zacházet s pojmy, jako jsou hmota, hmotnost a energie. Ať už se díváme na hmotu jako na to, co má hmotnost (což byl Newtonův pohled), či jako na objektivní realitu existující nezávisle na našem vědomí, je foton hmotná částice. Je objektivní realitou a, jak prokázala řada experimentů, má hmotnost. Mluvit tedy o „zhmotnění nehmotného záření“ je zavádějící. Einsteinova rovnice E = mc² je vztah, který dává do souvislosti dvě stránky jedné reality. Energie i hmotnost jsou základní fyzikální veličiny, které jsou i mírou množství hmoty, a nelze hovořit o přeměně hmotnosti či hmoty na energii a opačně. Každá velikost hmotnosti má i přesnou hodnotu energie, danou Einsteinovou rovnicí. Při procesech na Slunci pak nejde o „přeměnu hmoty na elektromagnetické záření“, ale o přeměnu jedné formy energie na jinou. Klidová energie částic (která odpovídá přesné hodnotě klidové hmotnosti) se mění na energii fotonu a vznikají ovšem i další částice a formy energie.

Autor definuje hmotu jako částice, které mají nenulovou klidovou energii, a tedy i klidovou hmotnost. Ostatní pak podle jeho definice hmotou nejsou. Tato definice je podle mého názoru nesprávná a při popisu dějů v oblasti elementárních částic zavádějící. U neutrin například dodnes nevíme, zda jsou částicemi s nenulovou klidovou hmotností, či nikoliv. Problémy se pak ukazují i při autorově popisu významu studie reakce fotonů s fotony, provedené na lineárním urychlovači SLAC ve Stanfordu.

Hlavní jeho význam Jan Valenta vidí v tom, že poprvé experimentálně potvrdil „přeměnu elektromagnetického záření na hmotné částice“. Ovšem takový proces byl pozorován již na počátku třicátých let krátce po Diracově předpovědi pozitronu a jeho objevu v kosmických paprscích. Proces se nazývá kreace páru elektronu a pozitronu a mění se při něm foton s nulovou klidovou hmotností na částice s nenulovou klidovou hmotností. Spolu s opačným procesem anihilace elektronu a pozitronu, kdy se tyto částice mění na dva fotony, to byla jedna z prvních studovaných přeměn částic. Pro tyto reakce není třeba příliš vysoké energie fotonu, protože klidová energie elektronu i pozitronu je 0,511 MeV. Fotonu tak stačí mít energii jen o trochu větší než jeden MeV, což je běžná energie fotonů vyletujících z atomového jádra při jeho přeměně gama. Jediným problémem je, že k procesu kreace párů z fotonu nemůže dojít ve vakuu. Brání tomu zákon zachování hybnosti. K tomuto procesu však dochází v elektromagnetickém poli jádra, kdy se část hybnosti jádru předá. Takže proces přeměny fotonu na částice s nenulovou klidovou hmotností se běžně využívá v jaderných metodách zejména při detekci fotonů s energií vyšší než 1 MeV. Pro energie v oblasti desítek MeV a vyšší dochází ke kaskádě kreace párů, anihilace vzniklých pozitronů a opět kreace párů. Takový proces se nazývá elektromagnetická sprška.

Význam popisovaného experimentu je úplně jiný. Jde o první pozorování nepružné reakce fotonu s fotonem. Nepružná reakce je definována jako proces, při kterém se na rozdíl od pružného rozptylu mění nejen hybnost, ale i vnitřní struktura či počet zúčastněných částic. Při nepružné reakci fotonů vznikají další fotony nebo páry částice a antičástice. Experimentální odlišení vyprodukovaných fotonů od původních je však náročné, a tak byla jako první ve zmíněném stanfordském experimentu pozorována nepružná reakce fotonů s produkcí páru elektronu a pozitronu. Jak už bylo uvedeno, stačí pro produkci tohoto páru energie jen o málo větší než 1 MeV. Ta by stačila v případě, kdybychom čelně sráželi fotony se stejnou energií (každý by měl něco málo přes 0,5 MeV). Takové zdroje fotonů jsou běžné, mají však nízkou intenzitu (počet vyzařovaných fotonů za jednotku času). Pravděpodobnost reakce fotonu s fotonem spojené s produkcí páru elektronu a pozitronu je malá a potřebné zdroje fotonů s dostatečnou intenzitou v této oblasti energií zatím neexistují. Dostatečně intenzivní zdroje nám mohou poskytnout pouze lasery, a to jen v oblasti energií viditelného světla. Energie takto produkovaných fotonů je však o šest řádů nižší než klidová energie elektronu a pozitronu (okolo 2 eV). Řešení bylo nakonec nalezeno v kombinaci dostupných zdrojů fotonů. Laser produkoval s velkou intenzitou fotony nízké energie. Elektron s vysokou energií předá s využitím Comptonova rozptylu, jak bylo popsáno v článku Jana Valenty, část své energie fotonu z laseru. Takto získaný foton s velmi vysokou energií se pak sráží s dalším fotonem z laseru. K tomu, aby byly zároveň splněny zákony zachování hybnosti, by však v tomto případě velmi rozdílných energií interagujících fotonů byla potřebná energie fotonu o pět řádů vyšší, než je klidová energie elektronu a pozitronu (okolo 100 GeV). Takovou energii nebylo možno fotonům předat ani tak výkonným elektronovým urychlovačem, jako je SLAC ve Stanfordu. Proto se, jak popisuje Jan Valenta, reakce muselo účastnit více fotonů laseru. Experiment byl velice náročný a experimentální potvrzení nepružné interakce fotonů je významný počin. Nejde však o první pozorování přeměny fotonu v pár elektronu a pozitronu.

Autorova odpověď viz (Vesmír 77, 456, 1998/8)