عملية بريت-ويلر

على الرغم من أن هذه العملية تُعدّ أحد مظاهر تكافؤ الكتلة والطاقة ، إلا أنه حتى عام ٢٠١٧، لم يُرصد تأثير برايت-ويلر النقي عمليًا نظرًا لصعوبة تحضير حزم أشعة غاما المتصادمة وضعف احتمالية حدوث هذه الآلية. ومؤخرًا، اقترحت فرق بحثية مختلفة دراسات نظرية جديدة حول التكوينات التجريبية الممكنة لرصدها أخيرًا على الأرض.

في عام ٢٠١٤، اقترح علماء الفيزياء في إمبريال كوليدج لندن طريقةً بسيطةً نسبيًا لإثبات عملية برايت-ويلر عمليًا. ^{[ ١٠ ]} تتضمن تجربة المصادم التي اقترحها العلماء خطوتين أساسيتين. أولًا، يستخدمون ليزرًا عالي الكثافة وقويًا للغاية لتسريع الإلكترونات إلى سرعة تقارب سرعة الضوء . ثم يوجهون هذه الإلكترونات نحو صفيحة من الذهب لتكوين حزمة من الفوتونات ذات طاقة تفوق طاقة الضوء المرئي بمليار مرة. تتضمن المرحلة التالية من التجربة استخدام علبة ذهبية صغيرة تُسمى " هولراوم " (كلمة ألمانية تعني "غرفة فارغة" أو "تجويف"). يوجه العلماء ليزرًا عالي الطاقة نحو السطح الداخلي لهذه العلبة لتكوين مجال إشعاع حراري. ثم يوجهون حزمة الفوتونات من المرحلة الأولى عبر مركز العلبة، مما يؤدي إلى تصادم الفوتونات من المصدرين وتكوين إلكترونات وبوزيترونات. بعد ذلك، يصبح من الممكن رصد تكوّن الإلكترونات والبوزيترونات عند خروجها من العلبة. ^{[ 10 ]} تشير محاكاة مونت كارلو إلى أن هذه التقنية قادرة على إنتاج ما يقارب 10⁵ ^زوجًا من أزواج بريت-ويلر في لقطة واحدة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

في عام 2016، طُرح نظريًا ^{[ 4 ]} تصميم تجريبي جديد ثانٍ لتوضيح ودراسة عملية برايت-ويلر من خلال تصادم مصدرين للفوتونات عالية الطاقة (مكونين من فوتونات أشعة سينية وأشعة غاما غير متماسكة) ناتجة عن تفاعل ليزرين شديدي الكثافة مع رقائق صلبة رقيقة أو نفاثات غازية. في الليزرات فائقة الكثافة ذات النبضات القصيرة القادمة، سيكون تفاعل الليزر مع هدف صلب موضعًا لتأثيرات إشعاعية قوية مدفوعة بالتشتت الكمي العكسي غير الخطي. هذا التأثير، الذي كان ضئيلاً حتى الآن، سيصبح آلية تبريد رئيسية للإلكترونات النسبية للغاية المتسارعة فوق مستوى 100 ميغا إلكترون فولت عند سطح التماس بين الليزر والمادة الصلبة عبر آليات مختلفة. 

تمت ملاحظة عملية برايت-ويلر متعددة الفوتونات ودراستها تجريبياً. إحدى أكثر الطرق فعالية لزيادة إنتاج أزواج برايت-ويلر متعددة الفوتونات هي تصادم فوتونات غاما وجهاً لوجه مع نبضة ليزر فائقة الشدة تنتشر في اتجاه معاكس (أو بزاوية تصادم طفيفة، حيث أن التصادم في نفس الاتجاه أقل فعالية). ولإنتاج الفوتونات أولاً ثم إنتاج الأزواج في جهاز واحد متكامل، يمكن استخدام طريقة مشابهة بتصادم إلكترونات ذات طاقة جيجا إلكترون فولت . اعتماداً على شدة الليزر، ستشع هذه الإلكترونات فوتونات غاما أولاً عبر ما يُسمى بتشتت كومبتون العكسي غير الخطي عند تفاعلها مع نبضة الليزر. ثم تتحول هذه الفوتونات، أثناء تفاعلها مع الليزر، إلى أزواج إلكترون-بوزيترون متعددة الفوتونات من عملية برايت-ويلر.

استُخدمت هذه الطريقة عام ١٩٩٧ في مركز ستانفورد للمُسرِّع الخطي . تمكّن الباحثون من إجراء عملية بريت-ويلر متعددة الفوتونات باستخدام الإلكترونات لتوليد فوتونات عالية الطاقة أولًا، ^{[ ١٣ ]} والتي خضعت بعد ذلك لتصادمات متعددة لإنتاج إلكترونات وبوزيترونات، كل ذلك داخل نفس الحجرة. ^{[ ٦ ] [ ٧ ] [ ١٤ ]} تم تسريع الإلكترونات في المُسرِّع الخطي إلى طاقة ٤٦.٦ جيجا إلكترون فولت قبل توجيهها مباشرةً إلى ليزر نيوديميوم (Nd:glass) خطي الاستقطاب بكثافة ١٠¹⁸ ^واط /سم² ⁽ أقصى سعة للمجال الكهربائي حوالي ٦×١٠⁹ ^فولت /متر)، بطول موجي ٥٢٧ نانومتر ومدة ١.٦ بيكو ثانية. في هذا التكوين، قُدِّر توليد فوتونات بطاقة تصل إلى ٢٩ جيجا إلكترون فولت. وقد أدى ذلك إلى إنتاج 106 ±14 بوزيترون مع طيف طاقة واسع في مستوى GeV (ذروة حوالي 13 GeV).

يمكن إعادة إجراء التجربة المذكورة آنفًا في المستقبل في مركز SLAC باستخدام تقنيات ليزر أكثر قوة. أصبح استخدام شدة ليزر أعلى (10-20 ^واط /سم² ^{) ممكنًا بسهولة الآن باستخدام حلول} ليزر التيتانيوم-الياقوت ذات النبضات القصيرة، مما يُحسّن كفاءة العملية بشكل ملحوظ (تأثير كومبتون العكسي غير الخطي وتكوين أزواج بريت-ويلر غير الخطي)، ويؤدي إلى إنتاج كمية أكبر من المادة المضادة بعدة مراتب، مما يُتيح قياسات بدقة أعلى، وإزاحة كتلة إضافية، بالإضافة إلى تأثيرات غير خطية وتأثيرات دوران مغزلي. ^{[ 15 ]}

ستتيح الشدات العالية المتوقعة في أنظمة الليزر متعددة البيتاواط المستقبلية إجراء تجارب تصادم الليزر والإلكترونات بصريًا بالكامل، حيث يتم توليد حزمة الإلكترونات من خلال التفاعل المباشر لليزر مع نفاثة غازية في ما يُعرف بنظام تسريع مجال الموجة الليزرية . ثم يتم توجيه حزمة الإلكترونات الناتجة للتفاعل مع ليزر ثانٍ عالي القدرة لدراسة عمليات الديناميكا الكهربائية الكمية. وقد طُرحت جدوى مخطط إنتاج أزواج بريت-ويلر متعدد الفوتونات بصريًا بالكامل نظريًا لأول مرة في المرجع ^{[ 16 ].} ويقتصر تطبيق هذا المخطط على مرافق الليزر متعددة الحزم ذات النبضات القصيرة والشدة العالية للغاية، مثل نظامي CILEX-Apollon ^{[ 17 ]} و ELI ^{[ 18 ]} (تقنية CPA من التيتانيوم والياقوت عند 0.8 ميكرومتر، بمدة تتراوح بين 15 و30 فيمتوثانية). يُمكن توليد حزم إلكترونية بطاقة بضعة جيجا إلكترون فولت وطاقة بضعة نانو كولوم باستخدام ليزر أولي بقوة 1 بيتاواط، مقترنًا باستخدام توزيعات كثافة نفاثات الغاز المُعدّلة والمُحسّنة، مثل التوزيعات ثنائية الخطوات. يُمكن تحقيق توليد قوي للأزواج عن طريق اصطدام حزمة الإلكترونات هذه مباشرةً بليزر ثانٍ ذي شدة تزيد عن 10²² ^واط /سم² ^. في هذا التكوين، وعند هذا المستوى من الشدة، تتوقع الدراسات النظرية إمكانية إنتاج عدة مئات من البيكو كولوم من المادة المضادة. ^{[ 19 ]} قد يكون هذا الإعداد التجريبي أحد أكثر مصانع إنتاج البوزيترونات إنتاجية. يُمكن اختبار هذا السيناريو البصري بالكامل مبدئيًا باستخدام شدات ليزر أقل في حدود 10²¹ ^واط  / ^سم² .

في يوليو 2021، أبلغ كاشف STAR، أحد التجارب الأربع في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية، عن أدلة تتوافق مع هذه العملية . ورغم أنه لم يكن واضحًا ما إذا كانت هذه الأدلة ناتجة عن فوتونات عديمة الكتلة أو فوتونات افتراضية ذات كتلة، فقد دُرست ظاهرة انكسار الضوء في الفراغ ، وحصلت على أدلة كافية للادعاء بأنها أول رصد معروف لهذه العملية. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}