Leyenda: Este cuadro demuestra interacciones de las teorías que describen la luz y la materia. Crédito: Oliver
Pike, el Imperial - College de Londres
Los físicos
del Imperial College de Londres han descubierto la forma de crear materia de la
luz - una hazaña que parecía imposible cuando la idea fue teorizado por primera
vez hace 80 años.
En un solo
día en una pequeña oficina en el Laboratorio de Física del Blackett Imperial,
tres físicos elaboraron una forma relativamente sencilla de probar físicamente
una teoría que fuera primeramente ideada por los científicos Breit y Wheeler en
1934.
Breit y
Wheeler sugirieron que debería ser posible convertir la luz en materia
rompiendo juntos sólo dos partículas de luz (fotones), creando así un electrón
y un positrón - el método más simple de convertir la luz en materia jamás
predicho. Se encontró que el cálculo era teóricamente sólido pero Breit y
Wheeler dijeron que ellos nunca esperaron a nadie para demostrar físicamente su
predicción. Nunca se ha observado en el laboratorio y los experimentos
anteriores para probarlo, requerían agregar partículas masivas de altas
energías.
La nueva
investigación, publicada en Nature Photonics, muestra por
primera vez cómo la teoría Breit y Wheeler se podía probar en la práctica.
Mediante un "colisionador fotón-fotones", que convertiría la luz directamente en materia, tecnología que ya está
disponible, sería un nuevo tipo de experimento de la física de alta
energía.
Esquema del colisionador fotón-fotón. Crédito: Nature Photonics
Este
experimento podría crear un proceso que fue muy importante en los primeros 100
segundos del universo y que también se ve en los estallidos de rayos gamma, que
son las mayores explosiones del universo y uno de los más grandes misterios sin resolver de la la física.
Los
científicos habían estado investigando los problemas vinculados con la energía
de fusión, cuando se dieron cuenta que estaban trabajando en algo que podría
aplicarse a la teoría Breit-Wheeler. El avance se logró con la
colaboración de un físico teórico, compañero del Instituto Max Planck de Física
Nuclear, quien estaba de visita en el College Imperial.
Demostrando
la Teoría Breit-Wheeler (*1) ello proporcionaría la pieza que faltaba del puzzle
definitivo de un rompecabezas de la física, la cual describe las maneras más
simples en los que la luz y la materia interactúan. Las otras seis piezas de este rompecabezas,
incluyendo la teoría de Dirac en 1930 de
la aniquilación de electrones y positrones y 1905 la teoría de Einstein sobre
el efecto fotoeléctrico, están asociados con la investigación del ganador del
Premio Nobel.
El profesor Steve Rose, del Departamento de Física del Imperial College de Londres, dijo:. "A pesar de todos los físicos que aceptan la teoría de que es verdad, cuando Breit y Wheeler propusieron por primera vez la teoría, me dijeron que no esperaban que se demostrara en el laboratorio; en la actualidad, casi 80 años más tarde, demostramos que estaban equivocados. ¿Qué fue para nosotros tan sorprendente? Fue el descubrimiento de cómo podemos crear materia directamente de la luz utilizando la tecnología que tenemos hoy en día en el Reino Unido. Como somos teóricos, ahora estamos hablando con otras personas que pueden utilizar nuestras ideas para llevar a cabo este experimento histórico ".
El experimento del colisionador que han propuesto los científicos implica dos pasos principales. En primer lugar, los científicos usarían un láser de alta intensidad extremadamente potente para acelerar los electrones hasta justo debajo de la velocidad de la luz. Ellos entonces disparar estos electrones en una losa de oro para crear un haz de fotones un billón de veces más energéticos que la luz visible.
Imagen: Rayos Gamma (en blanco) chocarían contra la nube de fotones de rayos X dentro del "Hohlraum" para producir positrones y electrones (en azul y rojo)-Crédito BBC Mundo
La siguiente
etapa del experimento implica una monedita de oro como llaman a un Hohlraum (*2), palabra que en alemán se utiliza para denominar un "cuarto vacío". Los científicos podrían disparar un láser
de alta energía en la superficie interna de este oro, para crear un campo de
radiación térmica, lo que genera una luz similar a la luz emitida por las
estrellas. Entonces dirigen el haz de fotones de la primera etapa del
experimento a través del centro de la lata, haciendo que los fotones de las dos
fuentes choquen y formen electrones y positrones; haciendoa posible detectar la
formación de los electrones y positrones cuando salieran de a lata.
El
investigador principal, Oliver Pike quien actualmente está completando su
doctorado en física de plasma, dijo: "A
pesar de que la teoría es conceptualmente simple, ha sido muy difícil de
verificar experimentalmente Pudimos desarrollar la idea para el colisionador
muy rápidamente y el diseño experimental que proponemos puede llevarse a cabo
con relativa facilidad con la tecnología existente. Luego de unas horas de
mirar las aplicaciones del Hohlraums fuera de su papel tradicional en la
investigación de la energía de fusión, nos quedamos asombrados al descubrir que
se habían proporcionado las condiciones perfectas para la creación de un
colisionador de fotones. La carrera para llevar a cabo y completar el
experimento está en marcha! "
El trabajo completo se encuentra en Nature Photonics 434-436 DOI:10.1038/nphoton 2014.95
Fuente: EurekaAlert – Computational Astronomy & Astrophysics- Laura Bailey / BBC Mundo /Nature Photonics /Wikipedia /Europa Press
(*) Glosario:
(1) El proceso de Breit-Wheeler, o producción de pares Breit-Wheeler es la emisión de
positrones-electrones pares fuera de una sonda fotón que se propaga a través de
un polarizado de pulsada corta del campo electromagnético (por ejemplo: láser)
El proceso es el más simple mecanismo por el cual la luz puede ser
potencialmente transformable.
(2) Hohlraum es, en la radiación termodinámica, una cavidad cuyas paredes están en equilibrio radioactivo con el radiante de energía dentro de la cavidad.
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