Físicos del Imperial College de Londres han descubierto la forma de transformar la materia en luz – una hazaña que parecía imposible cuando la idea fue teorizado por primera vez hace 80 años.
En un solo día y tras varios tazas de café en una pequeña oficina en el Laboratorio de Física Blackett Imperial, tres físicos elaboraron una forma relativamente sencilla el modo de probar físicamente una teoría ideada por primera vez por los científicos Breit y Wheeler en 1934.
Breit y Wheeler sugirieron que debería ser posible convertir la luz en materia rompiendo juntas sólo dos partículas de luz (fotones), para crear un electrón y un positrón -el método más simple de convertir luz en materia jamás predicho. Aunque el cálculo era teóricamente sólido, Breit y Wheeler aseguraron que nunca esperarían que nadie pudiera demostrar físicamente su predicción. Nunca se ha observado en el laboratorio y los experimentos anteriores han requerido de partículas de alta energía masivas.
La nueva investigación, publicada en Nature Photonics, muestra por primera vez cómo la teoría de Breit y Wheeler se podía probar en la práctica. Este “colisionador de fotones”, convertiría la luz directamente en materia mediante una tecnología que ya está disponible, sería un nuevo tipo de experimento de alta energía. Este experimento podría recrear 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 la física y uno de los misterios sin resolver más grandes de la física.
Los científicos estaban investigando los problemas vinculados a la energía de fusión, cuando se dieron cuenta de que aquello en lo que estaban trabajando podría aplicarse a la teoría Breit-Wheeler. El avance se logró en colaboración con un físico teórico del Instituto Max Planck de Física Nuclear, quien estaba de visita Imperial College.
Demostrando la teoría Breit-Wheeler se ha proporcionado la pieza de puzzle definitivo de un rompecabezas de la física que describe las maneras más simples en las que la luz y la materia interactúan. Las otras seis piezas de este rompecabezas, incluyendo la teoría de 1930 de Dirac sobre la aniquilación de electrones y positrones y la teoría de Einstein escrita en 1905 sobre el efecto fotoeléctrico, están asociadas al Premio Nobel.
El profesor Steve Rose, del Departamento de Física del Imperial College de Londres, dice: “A pesar de que todos los físicos aceptan la teoría cómo cierta, cuando Breit y Wheeler la propusieron por primera vez, no esperaban que se demostrara en un laboratorio. Ahora, casi 80 años más tarde, demostramos que estaban equivocados. Lo más sorprendente para nosotros fue el descubrimiento de cómo podemos crear materia directamente de la luz utilizando la tecnología que tenemos hoy en día. Como no somos teóricos, ahora estamos hablando con otras personas que pueden utilizar nuestras ideas para llevar a cabo este experimento histórico “.
El experimento de 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. Entonces se dispararían estos electrones contra una placa de oro para crear un haz de fotones un billón de veces más energéticos que la luz visible.
La siguiente etapa del experimento implica una pequeña pieza de oro llamada hohlraum (en alemán “cuarto vacío”). Los científicos podrían disparar un láser de alta energía en la superficie interna de la placa de oro, para crear un campo de radiación térmico, lo que generaría una luz similar a la luz emitida por las estrellas.
Entonces dirigirían el haz de fotones de la primera etapa del experimento a través del centro del hohlraum, haciendo que los fotones de las dos fuentes chocaran y formaran electrones y positrones. Así, sería posible detectar la formación de los electrones y positrones Cuando salieron la pieza de oro.
El investigador principal, Oliver Pike quien actualmente está completando su doctorado en física de plasma, dice: “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 y con tecnología existente. Después de unas horas de mirar aplicaciones para el hohlraums fuera de su papel tradicional en la investigación de la energía de fusión, nos quedamos asombrados al descubrir que proporcionaba las condiciones perfectas para la creación de un colisionador de fotones. La carrera para llevar a cabo y completar el experimento está en marcha”
La investigación fue financiada por el Consejo de Ingeniería y Ciencias Físicas de Investigación (EPSRC), el Instituto John Adams para la Ciencia, el Atomic Weapons Establishment (AWE), y se llevó a cabo en colaboración con el Max-Planck-Institut für Kernphysik.
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