Gregory Breit y John Archibald Wheeler propusieron por primera vez la idea de que las partículas de luz sin masa (fotones) pueden convertirse en partículas de materia en 1934. Teorizaron que podría ser posible crear materia al romper dos fotones.
En 1934, dos físicos estadounidenses teorizaron que si uno pudiera hacer colisionar dos fotones, la colisión produciría dos pares de positrones y electrones, y así convertiría la luz en materia. Si se prueba en un laboratorio, el proceso sería una demostración pura de la teoría de la relatividad de Einstein, E = mc2, que establece que la masa de un objeto también es una medida de su energía almacenada. En el momento en que los científicos, Gregory Breit y John A. Wheeler, físicos de la Universidad de Nueva York, idearon su hipótesis, no había herramientas científicas disponibles para demostrarla, por lo que el par se quedó solo con una teoría, una teoría muy sólida conocida a partir de entonces como el proceso Breit-Wheeler, hasta que la tecnología pueda ponerse al día.
Exactamente 80 años después, ese tiempo finalmente ha llegado: los físicos teóricos del Imperial College de Londres han tropezado, por casualidad, con un método que demostrará la teoría de Breit y Wheeler. En un estudio publicado este mes en Nature Photonics, el equipo describe cómo, al investigar problemas relacionados con la energía de fusión, se dieron cuenta de que al disparar láseres de alta energía en un hohlraum, una pequeña lata de oro que absorbe la radiación láser y re-irradia simétricamente como rayos X: los científicos podrían crear un “colisionador de fotones-fotones”, haciendo girar con éxito partículas de materia de fotones de alta energía.
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Dado que las personas que idearon el experimento solo se ocupan de física teórica, y dado que el procedimiento real requerirá un gran equipo de experimentadores, el equipo de Pike se encuentra actualmente en el proceso de reunir a otros investigadores para llevar a cabo el experimento adecuadamente. Él dice que podría completarse “dentro de un año”, dependiendo de qué tan rápido el equipo pueda asegurar una de las 10 instalaciones de laboratorio en el mundo que contienen el equipo necesario para realizar el experimento: capacidades láser de pulso corto y un hohlraum o algún otro mecanismo para generar una gran cantidad de rayos X. El proceso implica una propuesta formal, revisada por pares, que debe ser aprobada por un comité de la instalación en función de su presentación exhaustiva, la experiencia del personal y la máxima importancia para la ciencia. Es probable que no tengan problemas con este último: cuando se realice con éxito, este experimento se habrá dado cuenta, en su forma más pura, de un proceso crucial para la comprensión de los estallidos de rayos gamma y los primeros minutos de la formación del universo. .
“El proceso Breit-Wheeler [ha sido] muy difícil porque la cantidad de partículas de luz necesarias para verlo es muy alta”, dijo el investigador principal Oliver Pike a Popular Science. “Intentar colisionar dos fotones usando dos haces de luz de alta energía, hasta la fecha, no ha funcionado, [porque] es muy difícil generar haces densos y estrechos de las energías necesarias para detectar el proceso. Nuestro enfoque fue diferente. Laser- los hohlraums calentados se han utilizado durante décadas, y los láseres de alta intensidad han podido acelerar los electrones a las energías muy altas necesarias para generar el haz de luz durante unos 10 años. Simplemente no creo que nadie haya pensado en usar un hohlraum como una herramienta para estudiar física fundamental antes “.
Esta no es la primera vez que la luz se convierte en materia: en 1997, el colisionador lineal de Stanford utilizó un proceso diferente que involucraba un gran número de fotones que interactuaban con la ayuda de un haz de electrones de alta potencia y un campo eléctrico que proporcionaba la energía necesaria. chocar los fotones para producir partículas de materia. El experimento del equipo del Imperial College de Londres, por el contrario, utiliza la energía de los dos fotones en colisión: será la primera vez que la luz se convierta en materia en un vacío total, haciendo que el proceso sea mucho más fácil de observar.
La idea de crear un colisionador fotón-fotón es algo que ha interesado a los físicos desde hace mucho tiempo “, dice Pike.” Se pueden producir muchas partículas diferentes en colisiones de fotones, por lo que dicho colisionador podría usarse potencialmente para estudiar física fundamental con un enfoque experimental muy limpio. . [Podría] usarse como una fuente de antimateria, útil en el escaneo PET, por ejemplo, a medida que se forman cantidades iguales de electrones y positrones, pero existen formas mucho más fáciles y más eficientes de crear antimateria que esta. Las aplicaciones [del proceso] pueden surgir en el futuro, pero en este momento, el principal atractivo de este experimento es ciertamente académico: observar un proceso muy simple por primera vez “.
Si bien la tecnología moderna finalmente hace posible llevar a cabo el proceso Breit-Wheeler por primera vez, Pike dice que apenas han comenzado a rascar la superficie de sus capacidades; A medida que los láseres se vuelvan más potentes con el tiempo, los científicos podrán producir más y diferentes partículas que solo pares positrón-electrón. Él dice que su descubrimiento inicial, aunque accidental, fue en última instancia un avance científico inevitable.
“Este proceso es un poco extraño porque, en teoría, su validez no tiene ninguna duda”, dice. “Es solo que en el pasado no hemos tenido ninguna forma de detectarlo, mientras que los procesos estrechamente relacionados, como la aniquilación de un electrón y un positrón en dos fotones, se vieron hace décadas. Si no hubiéramos publicado este trabajo, yo Estoy seguro de que alguien en algún momento en el futuro habría hecho esfuerzos para observarlo “.
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