Nuevo paso para la creación de materia en laboratorio

Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Osaka y de la Universidad de California en San Diego, utilizó simulaciones para demostrar cómo se puede producir materia en laboratorio únicamente a partir de la luz, lo que en el futuro podría ayudar a probar antiguas teorías sobre la composición del universo.

¿De dónde viene la materia que forma todo lo que vemos? Esta es una de las preguntas más fundamentales de la física y de la cosmología, y tiene que ver con el proceso de conversión entre energía y masa.

Según la famosa ecuación de Einstein E=mc 2, la energía y la masa son equivalentes y se pueden transformar una en otra. Esto ocurre constantemente en el Sol y en otras estrellas, donde los núcleos atómicos se fusionan y liberan energía en forma de luz.

Pero también ocurrió en los primeros instantes del universo, cuando había una gran densidad de energía y se formaron las primeras partículas de materia.

Colisión lumínica

Uno de los mecanismos que permiten esta transformación de la energía en materia es la colisión fotón-fotón, es decir, el choque entre dos partículas de luz. Cuando dos fotones muy energéticos colisionan, pueden producir una pareja de electrón y positrón, es decir, una partícula de materia y de su antipartícula correspondiente.

Este proceso fue propuesto por primera vez en 1934 por los físicos Gregory Breit y John Wheeler, pero ha sido muy difícil de observar experimentalmente, ya que se necesitan condiciones extremas que no se dan en la naturaleza.

Sin embargo, recientemente se han logrado avances importantes para demostrar este efecto en el laboratorio, usando aceleradores de partículas y láseres. Estos experimentos nos permiten estudiar cómo se crea la materia a partir de la luz y cómo se comporta en diferentes entornos.

Materia a partir de la luz

Uno de los primeros experimentos que mostró la creación directa de materia a partir de la luz en un solo paso fue realizado en 2021 por un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, tal como explicamos entonces en otro artículo.

Los investigadores utilizaron un acelerador de partículas llamado Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) para acelerar dos haces de iones de oro, es decir, núcleos atómicos sin electrones, a una velocidad cercana a la de la luz en direcciones opuestas.

Al hacerlos pasar uno al lado del otro sin chocar, los iones generaron un campo electromagnético muy intenso a su alrededor, donde había una gran cantidad de fotones virtuales.

De irreales a reales

En este experimento, cuando los iones se rozaron entre sí, sus nubes de fotones virtuales interactuaron y algunos de ellos se comportaron como si fueran reales, es decir, actuaron como partículas de materia.

Estos fotones reales colisionaron entre sí y produjeron parejas de electrón-positrón (materia y antimateria), que fueron detectadas por el detector STAR del RHIC. Los científicos analizaron más de 6.000 parejas de estas partículas y comprobaron que coincidían con las predicciones teóricas del efecto Breit-Wheeler o producción de pares Breit-Wheeler, el mecanismo más simple por el cual puede transformarse una luz pura en materia.

Nuevo experimento

Ahora, otro equipo de investigadores de la Universidad de Osaka y la Universidad de California en San Diego logró simular las condiciones que permiten las colisiones de fotón-fotón, usando solo láseres. Los resultados se han publicado en la revista Physical Review Letters.

Los investigadores demostraron que, al interactuar con los intensos campos electromagnéticos del láser, el plasma denso puede autoorganizarse para formar un colisionador de fotón-fotón.

Este colisionador contiene una población densa de rayos gamma, que al colisionar entre sí producen pares de electrón-positrón, es decir, de materia y antimateria. Los positrones son acelerados por un campo eléctrico del plasma creado por el láser, lo que resulta en un haz de positrones.

Este es el primer método propuesto para acelerar positrones a partir del proceso lineal de Breit-Wheeler bajo condiciones relativistas. Los investigadores consideran que su modelo es factible experimentalmente y esperan poder implementarlo en el mundo real.

Implicaciones trascendentales

Estos descubrimientos son una prueba más de la validez de la teoría de la relatividad especial de Einstein, que establece la relación entre la energía y la masa. También son una confirmación experimental de una predicción teórica que llevaba casi 90 años sin verificarse.

Además, abren la posibilidad de estudiar otros procesos físicos relacionados con la creación de materia a partir de la luz, como la producción de otras partículas más pesadas o el papel de los campos magnéticos.

Este tipo de experimentos también nos ayudan a comprender mejor lo que ocurrió en los primeros instantes del universo, cuando había una gran densidad de energía y se formaron las primeras partículas de materia.

Referencias

Measurement of e+e− Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions. Adam et al. (STAR Collaboration). Phys. Rev. Lett. 127, 052302; 27 July 2021. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.052302

Positron Generation and Acceleration in a Self-Organized Photon Collider Enabled by an Ultraintense Laser Pulse. K. Sugimoto et al. Phys. Rev. Lett. 131, 065102; 9 August 2023. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.065102