Producción de materia a través de la colisión de fotones

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Numerosos medios de comunicación anunciaron hace algunos días la conversión de luz en materia, basados en el trabajo de los investigadores Steven J. Rose, F. Mackenroth, E. G. Hill y Oliver Pike (estudiante de doctorado) del Imperial College de Londres. 1 Más que esto, ellos propusieron ‒mediante un modelo teórico‒ que es posible obtener materia mediante la colisión de fotones gamma (mil millones de veces más energéticos que los fotones de la luz visible).

Nuestra experiencia diaria nos indica que la luz no ‘pesa’, es decir, que no tiene ‘masa’. Si alguien nos alumbra con una linterna no sentimos ninguna fuerza. Esto se debe a que la luz se compone de ondas electromagnéticas (ondas eléctricas y magnéticas alternantes que se van generando mutuamente ad infinitum, a 300 mil Km/s en el vacío). La energía de la radiación electromagnética (ondas de radio, infrarroja, luz visible, ultravioleta, rayos X, gamma) se incrementa conforme lo hace la frecuencia. Así, las ondas de radio o la luz visible son mucho menos energéticas que los rayos X y la radiación gamma. Además de poseer un comportamiento ondulatorio, la radiación electromagnética puede describirse mediante partículas: fotones (dualidad onda/partícula ‒uno de los pilares de la mecánica cuántica‒). Y si carecen de masa ¿cómo es que pueden ‘producir’ materia?

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Espectro electromagnético.

El par electrón/positrón

A mediados de la década de los 30 del siglo pasado ya habían sido descubiertas las partículas constituyentes del átomo: protón, neutrón y electrón. Las dos primeras partículas en general conforman el núcleo atómico (poseen masas similares y cargas eléctricas positiva y neutra). El electrón se encuentra alrededor del núcleo (con una masa casi mil veces menor y con una carga eléctrica negativa ‒de la misma magnitud que la del protón‒). En este mismo periodo, el científico británico Paul Dirac predijo la existencia del positrón (partícula de la misma masa que el electrón pero con carga eléctrica positiva) el cual fue detectado por el físico estadounidense Carl D. Anderson al fotografiar huellas de rayos cósmicos en una cámara de niebla. El positrón es la anti-partícula del electrón.

Cuando un electrón y un positrón se encuentran, se aniquilan, produciendo dos fotones gamma con la energía equivalente a sus masas en reposo. Recordemos la célebre ecuación de Albert Einstein: E=moc2 ‒donde E es la energía, mo la masa en reposo y c la velocidad de la luz‒ que nos muestra la equivalencia entre la masa y la energía.

En 1934, los científicos Gregory  Breit y John A. Wheeler propusieron un camino inverso al de la aniquilación, es decir, a partir de la ‘colisión’ de dos fotones gamma es posible obtener un par electrón/positrón. A pesar de la aparente simpleza de este proceso no se había tenido la tecnología suficiente para corroborarlo experimentalmente.

El colisionador de fotones

La propuesta de los investigadores del Imperial College de Londres se basa precisamente en la producción de pares electrón/positrón mediante el proceso Breit-Wheeler. El colisionador de fotones que ellos diseñaron consiste de los siguientes elementos: acelerador de electrones (hasta alcanzar velocidades cercanas a la de la luz), placa de oro, hohlraum (cilindro hueco calentado con un láser ‒palabra alemana que significa cavidad‒), generadores de campo magnético y un sistema de detección de electrones y positrones.

El funcionamiento básico del colisionador es como sigue: Los electrones chocan perpendicularmente con la placa de oro, su desaceleración produce fotones gamma del otro lado de la placa (efecto ‘bremsstrahlung’). Los electrones liberados, junto con los positrones generados por la colisión con los átomos de oro, son desviados mediante un campo magnético. De esta manera, los fotones, sin la compañía de partículas con masa, se introducen al hohlraum (en vacío) donde se encuentran con radiación térmica que otorga la energía suficiente para que ocurran colisiones fotón-fotón. Los pares electrón/positrón así producidos, se desvían al salir del hohlraum ‒con otro campo magnético‒ y se cuantifican mediante detectores adecuados.

Luz-materia
Esquema del colisionador de fotones

La simulación de los experimentos (basados en numerosos y sofisticados cálculos realizados en supercomputadoras) permitió a los investigadores estimar las características óptimas de cada componente del colisionador. En su artículo, publicado en Nature Photonics, mencionan que el colisionador también podría utilizarse para estudiar la dispersión elástica fotón-fotón, las resonancias de quarks (componentes de protones, neutrones y otras partículas) y, con una mayor energía, podría ser posible producir estados hadrónicos finales (partículas constituidas por quarks).

De momento, el investigador Oliver Pike y su equipo, espera que un grupo de científicos experimentales pueda ensamblar físicamente el colisionador y así corroborar experimentalmente el proceso Breit-Wheeler.

Notas:

  1. O. J. Pike, et al. A photon-photon collider in a vacuum hohlraum. Nature Photonics (1-3) May 2014 (DOI:10.1038/NPHOTON.2014.95)

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