Tutkijat Brookhavenin laboratoriosta New Yorkista ovat onnistuneet luomaan ainetta valosta ensimmäistä kertaa ilman välivaiheita. Fotoneja eli massattomia valohiukkasia törmäyttämällä luotiin elektroni–positronipareja, mikä osoitti lähes 80 vuotta vanhan teorian todeksi. Positroni on elektronin antihiukkanen.

Einsteinin yhtälön E = mc² mukaan massan ja energian välillä on perustavanlaatuinen yhteys. Yhtälöstä seuraa, että korkeaenergistä valoa voi muuttaa aineeksi – siis massaksi. Yksittäisillä fotoneilla ei ole kuitenkaan intensiivisimmissäkään lasersäteissä tarpeeksi energiaa ilmiön demonstroimiseksi.

Vuonna 1934 fyysikot Gregory Breit ja John A. Wheeler kuitenkin ehdottivat toista menetelmää: raskaiden ionien kiihdyttämistä. Nyt yli 80 vuotta myöhemmin Brookhavenin tutkijat ottivat neuvosta vaarin ja kiihdyttivät elektroneistaan siivottuja kulta-atomeja 99,995-prosenttiseen valonnopeuteen RHIC-hiukkaskiihdyttimessään (Relativistic Heavy Ion Collider).

Kulta-atomin ytimessä on 79 protonia, mikä muodostaa elektronien puuttuessa voimakkaan positiivisen varauksen ja sähkökentän atomitasolla. Kun kultaioni kulkee tarpeeksi nopeasti, sähkökenttää vasten kohtisuoraan muodostuu yhtä voimakas magneettikenttä. Tämä sähkö- ja magneettikentän kokonaisuus on käytännössä fotoni.

”Kun ionit kulkevat lähes valonnopeudella, joukko fotoneja ympäröi kultaydintä matkustaen sen mukana kuin pilvi”, Brookhavenin laboratorion fyysikko Zhangbu Xu selittää.

Kun RHIC-kiihdyttimessä kaksi kultaionia suhahtivat toistensa ohi, fotonien pilvet törmäsivät toisiinsa. Ionimenetelmällä fotonit olivat tarpeeksi korkeaenergisiä, jolloin niiden vuorovaikutuksessa syntyi elektroni–positronipareja.

Vielä piti kuitenkin varmistaa, etteivät elektroneja ja positroneja synnyttäneet sittenkin niin kutsutut virtuaalifotonit. Virtuaalihiukkaset ovat kvanttifysikaalinen ilmiö, ja niille on tyypillistä äärimmäisen lyhyt elinikä. Toisin kuin fotoneilla, virtuaalifotoneilla on massaa, jolloin mitään kovin ihmeellistä ei olisi kiihdytyksen tuloksena tapahtunut, jos ne olisivat olleet havainnon takana.

Selvittääkseen elektroni–positroniparien lähteen tutkijat analysoivat jokaisen parin ominaisuuksia, kuten hiukkasten välisten kulmien jakaumaa, energiaa, massajakaumaa sekä kvanttilukuja. Kaikki täsmäsi teoreettisiin laskelmiin oikeista – ei virtuaalisista – fotoneista.

”Tuloksemme osoittavat, että Breitin ja Wheelerin ennustuksen mukaan valosta voi luoda materiaa ja antimateriaa vain yhden vaiheen avulla”, hehkuttaa Daniel Brandenburg Brookhavenista.

Jo vuonna 1997 materiaa ja antimateriaa onnistuttiin luomaan fotoneista, mutta prosessi oli huomattavasti monimutkaisempi. Lasersäteen fotonien energiaa piti ensin kasvattaa voimakkaan elektronisäteen avulla. Kun korkeaenergiset fotonit törmäytettiin sen jälkeen useiden muiden fotonien kanssa valtavassa magneettikentässä, ne muuttuivat aineeksi.