Comprobado: las colisiones de luz producen materia y antimateria a partir de energía pura

La luz pura se puede convertir en materia y antimateria, han comprobado científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos, el mismo laboratorio que en 1974 ayudó descubrir el quark encantado: marcó el comienzo de una serie de avances conocidos como la Revolución de Noviembre.

El proceso de convertir la luz pura en materia se conoce como proceso Breit-Wheeler o producción de pares Breit-Wheeler y sería el mecanismo más simple por el cual puede transformarse una luz pura en materia.

Según la teoría de la Relatividad Espacial de Einstein, si dos fotones se presionan con suficiente fuerza pueden generar materia y antimateria a la vez: forman un par de electrón y positrón, lo que equivale a la conversión de luz en masa.

Gregory Breit y John A. Wheeler describieron este proceso en 1934, en la revista Physical Review. Desde entonces, se han hecho algunos intentos de conseguir la comprobación experimental de esta teoría.

La principal dificultad radica en preparar fotones de rayos gamma que colisionen entre sí para manifestar la equivalencia entre masa y energía.

Los físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven indican ahora que han encontrado una forma de sortear este obstáculo utilizando el Colisionador de Iones Pesados Relativista (RHIC) de la instalación, lo que, según sus palabras, permite una observación directa del proceso Breit-Wheeler en acción.

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Evidencia definitiva

Han obtemnido la evidencia definitiva de este proceso, después de un análisis detallado de más de 6.000 pares de electrones y positrones producidos en colisiones de partículas en RHIC. Sus resultados se publican también en Physical Review Letters.

El hallazgo principal es que los pares de electrones y positrones (partículas de materia y antimateria) pueden crearse directamente colisionando fotones muy energéticos, que son “paquetes” cuánticos de luz, explican los investigadores en un comunicado.

Esta conversión de luz energética en materia es una consecuencia directa de la famosa ecuación E = mc 2 de Einstein, que establece que la energía y la materia (o masa) son intercambiables.

Las reacciones nucleares en el sol y en las plantas de energía nuclear convierten regularmente la materia en energía. Ahora los científicos han convertido la energía luminosa directamente en materia, en un solo paso.

Haciendo materia a partir de la luz: dos iones de oro (Au) (rojo) se mueven en dirección opuesta al 99,995% de la velocidad de la luz (v, para la velocidad, = aproximadamente c, la velocidad de la luz). A medida que los iones se pasan entre sí sin chocar, dos fotones (γ) de la nube electromagnética que rodea a los iones pueden interactuar entre sí para crear un par de materia-antimateria: un electrón (e – ) y un positrón (e + ).

Luz doblada

El segundo resultado de esta investigación muestra que la trayectoria de la luz que viaja a través de un campo magnético en el vacío se dobla de manera diferente, dependiendo de cómo esté polarizada esa luz.

Esta desviación, dependiente de la polarización (conocida como birrefringencia), ocurre cuando la luz viaja a través de ciertos materiales.

Este efecto es similar a la forma en que la deflexión dependiente de la longitud de onda divide la luz blanca en arco iris. Pero esta es la primera demostración de la flexión de la luz dependiente de la polarización en el vacío, aseguran los investigadores.

Ambos resultados dependen de la capacidad del detector STAR de RHIC, el rastreador de solenoides en RHIC, para medir la distribución angular de partículas producidas en colisiones de iones de oro, que se mueven casi a la velocidad de la luz.

Estas capacidades no existían cuando los físicos Gregory Breit y John A. Wheeler describieron por primera vez la posibilidad hipotética de colisionar partículas de luz para crear pares de electrones y sus contrapartes de antimateria, conocidas como positrones, en 1934.

Fotones virtuales

Los autores de la nueva investigación aseguran que esos pares de partículas de materia y antimateria se pueden crear mediante una variedad de procesos en RHIC, incluso a través de fotones «virtuales», un estado de fotón que existe brevemente y lleva una masa efectiva.

Para estar seguros de que los pares materia-antimateria provienen de fotones reales, los científicos deben demostrar que la contribución de los fotones «virtuales» no cambia el resultado del experimento.

Para comprobarlo, los científicos de STAR analizaron los patrones de distribución angular de cada electrón en relación con su positrón asociado. Estos patrones difieren para los pares producidos por interacciones de fotones reales respecto a fotones virtuales.

“También medimos toda la energía, distribuciones de masa y números cuánticos de los sistemas. Son consistentes con los cálculos teóricos de lo que sucedería con los fotones reales”, asegura Daniel Brandenburg, miembro de Goldhaber en Brookhaven Lab, quien analizó los datos de STAR sobre este descubrimiento.

Mejor que en el pasado

Brandenburg se ha referido asimismo a intentos anteriores para conseguir este resultado, como el realizado en 1997 por investigadores de Stanford a partir de electrones que generan fotones de alta energía.

Sobre ese intento previo, Brandenburg ha señalado que se basó en crear pares de electrones y positrones a partir de colisiones de luz utilizando potentes láseres: rayos enfocados de luz intensa. Pero los fotones individuales dentro de esos rayos intensos aún no tienen suficiente energía, señala Brandenburg.

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

«Gracias al haz de iones pesados de alta energía del RHIC y la gran aceptación y las mediciones de precisión del detector STAR, podemos analizar todas las distribuciones cinemáticas con altas estadísticas para determinar que los resultados experimentales son de hecho consistentes con las colisiones de fotones reales».