Descubren cómo crear materia a partir de la luz

Físicos del Imperial College de Londres han descubierto cómo crear materia a partir de la luz: un logro que se creía imposible cuando se teorizó por primera vez, hace 80 años.

En un solo día, tras varios cafés, en una pequeña oficina del Laboratorio de Física Blackett, del Imperial College, tres físicos elaboraron una forma relativamente sencilla de probar físicamente una teoría ideada inicialmente por los científicos Breit y Wheeler, en 1934.

Breit y Wheeler sugirieron que debería ser posible convertir la luz en materia haciendo chocar dos partículas de luz (fotones), y creando un electrón y un positrón: el método más simple de convertir la luz en materia jamás predicho. El cálculo demostró ser teóricamente sensato, pero Breit y Wheeler dijeron que no esperaban que nadie demostrara físicamente su predicción. Nunca se ha observado en el laboratorio y los experimentos anteriores para probarla requirieron la adición de partículas masivas de alta energía.

Posible prueba práctica

La nueva investigación, publicada en la revista Nature Photonics, muestra por primera vez cómo la teoría de Breit y Wheeler podría probarse en la práctica. Este "colisionador fotón-fotón", que convertiría la luz directamente en materia mediante una tecnología que ya está disponible, sería un nuevo tipo de experimento de física de alta energía.

Este experimento recrearía 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 los mayores misterios sin resolver de la física.

Los científicos habían estado investigando problemas de la energía de fusión no relacionados con esto, cuando se dieron cuenta de que 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, de Alemania, que estaba de visita en el Imperial.

Demostrar la teoría Breit-Wheeler proporcionaría la pieza definitiva de un rompecabezas de la física que describe las maneras más simples de interacción entre la luz y la materia. Las otras seis piezas de este rompecabezas, incluyendo la teoría de Dirac de 1930 sobre la aniquilación de electrones y positrones y la de 1905 de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, están relacionadas con investigaciones ganadoras del Premio Nobel.

El profesor Steve Rose, del Departamento de Física del Imperial College, explica en la nota de prensa: "A pesar de todos los físicos que aceptaron que sue teoría era cierta, Breit y Wheeler dijeron que no esperaban que se demostrara en el laboratorio. Hoy, casi 80 años más tarde, demostramos que estaban equivocados. Lo que más sorprendente nos resultó fue el descubrimiento de cómo podemos crear materia directamente a partir de la luz utilizando tecnología que tenemos hoy en día en el Reino Unido. Como somos teóricos, estamos hablando con personas que puedan utilizar nuestras ideas para llevar a cabo este experimento histórico".

Un experimento en marcha

El experimento 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 por debajo de la velocidad de la luz.

Luego dispararían estos electrones hacia una placa de oro para crear un haz de fotones mil millones de veces más energéticos que la luz visible.

La siguiente etapa del experimento implica una pequeña cápsula de oro llamada hohlraum ("cuarto vacío", en alemán). Los científicos dispararían un láser de alta energía en la superficie interna de este recipiente de oro, para crear un campo de radiación térmica, que generaría una luz similar a la luz emitida por las estrellas.

Luego dirigirían el haz de fotones de la primera etapa del experimento a través del centro de la cápsula, haciendo que los fotones de las dos fuentes chocaran y formaran electrones y positrones. Entonces sería posible detectar la formación de los electrones y positrones cuando salieran de la cápsula.

El investigador principal, Oliver Pike, que actualmente está completando su doctorado en física de plasma, añade: "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, pero el diseño experimental que proponemos puede llevarse a cabo con relativa facilidad y con la tecnología existente."

"Con solo unas horas pensando en aplicaciones de los 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 Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), el Instituto John Adams para la Ciencia de Aceleradores, y el Establecimiento de Armamento Atómico (AWE), todos ellos del Reino Unido, y se llevó a cabo en colaboración con el Max- Planck -Institut für Kernphysik, de Alemania.

Referencia bibliográfica:

O. J. Pike, F. Mackenroth, E. G. Hill, S. J. Rose. A photon–photon collider in a vacuum hohlraum. Nature Photonics (2014). DOI: 10.1038/nphoton.2014.95