Los físicos detectan la evidencia más fuerte hasta ahora de materia generada por colisiones de luz

Según la teoría, si aplasta dos fotones con la suficiente fuerza, puede generar materia: un par electrón-positrón, la conversión de luz en masa según la teoría de Einstein de relatividad especial.

Se llama el proceso Breit-Wheeler, presentado por primera vez por Gregory Breit y John A. Wheeler en 1934, y tenemos muy buenas razones para creer que funcionaría.

Pero la observación directa del fenómeno puro que involucra solo dos fotones ha permanecido esquiva, principalmente porque los fotones necesitan ser extremadamente energéticos (es decir, rayos gamma) y aún no tenemos la tecnología para construir un láser de rayos gamma.

Ahora, los físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven dicen que han encontrado una manera de sortear este obstácu lo utilizando el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) de la instalación, lo que resulta en una observación directa del proceso Breit-Wheeler en acción.

“En su artículo, Breit y Wheeler ya se dieron cuenta de que esto es casi imposible de hacer”, dijo el físico Zhangbu Xu de Brookhaven Lab.

“¡Los láseres ni siquiera existían todavía! Pero Breit y Wheeler propusieron una alternativa: acelerar los iones pesados. Y su alternativa es exactamente lo que estamos haciendo en RHIC”.

Pero, ¿qué tienen que ver los iones acelerados con las colisiones de fotones? Bueno, podemos explicarlo.

El proceso implica, como sugiere el nombre del colisionador, iones acelerados: núcleos atómicos despojados de sus electrones. Debido a que los electrones tienen una carga negativa y los protones (dentro del núcleo) tienen una carga positiva, al eliminarlos se deja el núcleo con una carga positiva. Cuanto más pesado es el elemento, más protones tiene y más fuerte es la carga positiva del ion resultante.

El equipo usó iones de oro, que contienen 79 protones y una carga poderosa. Cuando los iones de oro se aceleran a velocidades muy altas, generan un campo magnético circular que puede ser tan poderoso como el campo eléctrico perpendicular en el colisionador. Donde se cruzan, estos campos iguales pueden producir partículas electromagnéticas o fotones.

“Entonces, cuando los iones se mueven cerca de la velocidad de la luz, hay un montón de fotones rodeando el núcleo de oro, viajando con él como una nube”. Xu explicó.

En el RHIC, los iones se aceleran a velocidades relativistas, aquellas que son un porcentaje significativo de la velocidad de la luz. En este experimento, los iones de oro se aceleraron al 99,995 por ciento de la velocidad de la luz.

Aquí es donde ocurre la magia: cuando dos iones simplemente se pierden, sus dos nubes de fotones pueden interactuar y chocar. Las colisiones en sí mismas no se pueden detectar, pero los pares de electrones y positrones que resultan sí pueden.

Sin embargo, tampoco es suficiente detectar un par electrón-positrón.

colisionadorDiagrama que muestra cómo la casi colisión de los iones de oro produce colisiones de fotones. (Laboratorio de Brookhaven)

Eso es porque los fotones producidos por la interacción electromagnética son virtual fotones, apareciendo y desapareciendo brevemente, y sin la misma masa que sus contrapartes “reales”.

Para ser un verdadero proceso Breit-Wheeler, dos fotones reales deben colisionar, no dos fotones virtuales, ni un fotón virtual y uno real.

A las velocidades relativistas de los iones, las partículas virtuales pueden comportarse como fotones reales. Afortunadamente, hay una forma en que los físicos pueden saber qué pares de electrones y positrones se generan mediante el proceso de Breit-Wheeler: los ángulos entre el electrón y el positrón en el par generado por la colisión.

Cada tipo de colisión (virtual-virtual, virtual-real y real-real) se puede identificar en función del ángulo entre las dos partículas producidas. Entonces, los investigadores detectaron y analizaron los ángulos de más de 6.000 pares de electrones y positrones generados durante su experimento.

Descubrieron que los ángulos eran consistentes con las colisiones entre fotones reales: el proceso Breit-Wheeler en acción.

“También medimos toda la energía, las distribuciones de masa y los números cuánticos de los sistemas. Son consistentes con los cálculos teóricos de lo que sucedería con los fotones reales”. dijo el físico Daniel Brandenburg de Brookhaven Lab.

“Nuestros resultados proporcionan una clara evidencia de la creación directa de materia en un solo paso.antimateria pares de colisiones de luz como lo predijeron originalmente Breit y Wheeler “.

Se podría argumentar de manera muy razonable que no tendremos un directo primera detección del proceso Breit-Wheeler de fotón-fotón puro, hasta que colisionamos fotones que se acercan a la energía de los rayos gamma.

Sin embargo, el trabajo del equipo es muy convincente; al menos, muestra que estamos ladrando el árbol correcto con Breit y Wheeler.

Continuaremos observando este espacio con avidez.

La investigación ha sido publicada en Cartas de revisión física.

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