Físicos del Imperial College London, en Reino Unido, han descubierto la forma de crear la materia desde la luz, una hazaña que parecía imposible cuando se formuló la teoría por primera vez hace 80 años.
En un solo día en una pequeña oficina en el Laboratorio de Física del edificio Blackett, tres físicos elaboraron una forma relativamente sencilla de probar físicamente una teoría ideada por los científicos Breit y Wheeler en 1934.
Breit y Wheeler sugirieron que debería ser posible convertir la luz en materia rompiendo a la vez sólo dos partículas de luz (fotones), para crear un electrón y un positrón, el método más simple de convertir la luz en materia jamás predicho.
Se vio que el cálculo era teóricamente sólido pero Breit y Wheeler señalan que nunca esperaron que alguien demostrara físicamente su predicción, pues nunca se ha observado en el laboratorio y los experimentos anteriores han requerido la adición 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 llevar a la práctica. Este ‘colisionador fotón-fotón’, que convertiría la luz directamente en materia mediante una tecnología que ya está disponible, sería un nuevo tipo experimento de física de alta energía.
Este experimento podría crear un proceso que fue muy importante en los primeros cien segundos del universo y que se ve en los estallidos de rayos gamma, que son las mayores explosiones del universo y uno de los misterios más grandes de la física sin resolver. Los científicos habían estado investigando los problemas vinculados a la energía de fusión, cuando se dieron cuenta de que en lo que estaban trabajando podría aplicarse a la teoría Breit-Wheeler.
El avance se logró en colaboración con un físico teórico compañero del Instituto Max Planck de Física Nuclear, en Alemania, que estaba de visita en el Imperial College London.
Demostrar la teoría Breit-Wheeler proporcionaría la pieza definitiva 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 Dirac de 1930 sobre la aniquilación de electrones y positrones y la teoría de Einstein en 1905 sobre el efecto fotoeléctrico, están asociadas con la investigación ganadora del Premio Nobel. «A pesar de que todos los físicos aceptan que la teoría es verdad, cuando Breit y Wheeler la propusieron por primera vez, me dijeron que no esperaban que se mostrara en el laboratorio en la actualidad, casi 80 años más tarde, demostramos que estaban equivocados», relata el profesor Steve Rose, del Departamento de Física del Imperial College.
Este experto describe que lo sorprendente para el equipo fue descubrir cómo se puede crear materia directamente de la luz utilizando la tecnología disponible hoy en día en Reino Unido. «Como somos teóricos, ahora estamos hablando con otras personas que pueden utilizar nuestras ideas para llevar a cabo este experimento histórico», agrega.
El experimento colisionador que han propuesto los científicos implica dos pasos principales. En primer lugar, usar un láser de alta intensidad extremadamente potente para acelerar los electrones hasta justo debajo de la velocidad de la luz y, entonces, lanzar esos electrones en una losa de oro para crear un haz de fotones un mil millones de veces más energéticos que la luz visible.
La siguiente etapa del experimento implica un pequeño oro llamado ‘hohlraum’, una palabra alemana que significa ‘cuarto vacío’, en alusión a una ‘cavidad’ que en radiaciones termodinámicas sus paredes están en equilibrio radiativo con la energía dentro de la cavidad. En su superficie interna, los científicos dispararían un láser de alta energía en la superficie interna de este oro para crear un campo de radiación térmica, generando una luz similar a la emitida por las estrellas. Entonces, se dirigiría el haz de fotones de la primera etapa del experimento a través del centro del cubo, haciendo que los fotones de las dos fuentes choquen y formen electrones y positrones, de forma que sería posible detectar la formación de los electrones y los positrones al salir del bidón.
«A pesar de que la teoría es conceptualmente simple, ha sido muy difícil verificar experimentalmente. Pudimos desarrollar la idea para el colisionador muy rápidamente, pero el diseño experimental que proponemos puede llevarse a cabo con relativa facilidad y con la tecnología existente», afirma el investigador principal, Oliver Pike.
A las horas de mirar aplicaciones de ‘hohlraums’ fuera de su papel tradicional en la investigación de la energía de fusión, los autores de este trabajo se sorprendieron al descubrir que proporcionaron las condiciones perfectas para la creación de un colisionador de fotones. «La carrera para llevar a cabo y completar el experimento está en marcha», concluyen.
