Los científicos del gobierno están creando materia a partir de luz pura

By: Becky Ferreira

Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven convirtieron la luz en electrones, validando una teoría que se remonta a casi un siglo.

En un laboratorio del gobierno de EE. UU. En Long Island, los científicos han forjado materia a partir de luz pura utilizando un sofisticado acelerador de partículas, al mismo tiempo que demuestran un fenómeno esquivo por primera vez en la Tierra. 

El avance experimental validó las predicciones hechas por influyentes físicos hace casi un siglo y arroja nueva luz sobre los misteriosos procesos que ocurren tanto a escala cuántica como cósmica.  

Esta conversión de fotones, que son partículas de luz sin masa, en electrones, una forma elemental de materia, fue lograda por un equipo de investigadores que trabaja con el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Aunque la base teórica de la nueva investigación tiene sus orígenes a principios del siglo XX, se necesitaron mejoras especiales en un experimento llamado detector Solenoidal Tracker en RHIC (STAR) para finalmente hacerlo realidad.

“Todas las estrellas se alinearon para que lo hiciéramos bien”, dijo Zhangbu Xu, miembro de la colaboración STAR y autor principal de un estudio reciente sobre el experimento en Physical Review Letters , en una llamada conjunta con sus compañeros miembros de STAR, Lijuan Ruan. y Daniel Brandenburg.

Ruan, físico de Brookhaven y co-portavoz de STAR, agregó que la cinemática del experimento se ubica “justo en el punto óptimo” para este tipo de transformación revolucionaria de energía en materia.

Lograr este punto óptimo alineado con las estrellas es un sueño que se remonta a 1934, cuando los físicos Gregory Breit y John Wheeler sugirieron que al romper fotones juntos se podría producir un par de materia-antimateria compuesto de electrones, que son partículas de materia cargadas negativamente, y positrones. que son contrapartes de antimateria de los electrones que llevan una carga positiva.  

La idea, ahora conocida como el proceso Breit-Wheeler, se inspiró en parte en los albores de la mecánica cuántica durante este período, que reveló que los fotones podían interactuar en niveles cuánticos de formas que no son predichas por la mecánica clásica. Los físicos también se basaron en la famosa equivalencia masa-energía de Albert Einstein, escrita como E = mc2, que demuestra que la masa y la energía son dos caras de la misma moneda. 

Dicho esto, es mucho más complicado transformar energía en materia que convertir materia en energía. Habría parecido especialmente inconcebible allá por la década de 1930. Como crédito a su previsión, Breit y Wheeler especularon que un dispositivo que podría acelerar los iones, que son átomos despojados de electrones, podría hacer el truco, aunque no existía tal máquina en ese momento. 

“Muestra algo de su brillantez porque esto fue a principios de los años 30, antes de muchos de los experimentos modernos que tenemos”, dijo Brandenburg, quien es Goldhaber Fellow en Brookhaven. “Pero ya predijeron, en el último párrafo de su artículo, cómo se podría lograr este proceso realmente difícil, y comentan exactamente el experimento que finalmente pudimos hacer”. 

“Me parece muy sorprendente que tuvieran la información para predecir no solo el cálculo de esta teoría, sino que predijeron experimentalmente cómo sucedería casi 100 años antes de que tuviéramos la tecnología para hacerlo”, agregó.

El experimento que imaginaron Breit y Wheeler, y que la colaboración STAR ha llevado a cabo con éxito, requiere disparar iones pesados ​​(en este caso, oro) uno al lado del otro al 99,995 por ciento de la velocidad de la luz. La fuerte carga positiva y las velocidades extremadamente altas de los iones crean un campo magnético circular y una nube de fotones que viajan con las partículas a través del colisionador. 

A medida que los iones de oro se rozan entre sí, sus halos de partículas de luz interactúan y producen los pares de materia-antimateria que se predijeron hace tantas décadas. Si bien RHIC pudo demostrar el proceso Breit-Wheeler, el detector STAR fue el instrumento que realmente observó, midió y confirmó el logro. 

Aunque el hito es el resultado de un siglo de trabajo de base teórico, también hubo un elemento de serendipia involucrado, ya que los investigadores de STAR solo recientemente se dieron cuenta de que su configuración podría probar experimentalmente esta conversión de energía en materia de otro mundo.

“En realidad, solo hace unos años, en 2018, comenzamos a ver algo interesante, pero en ese momento no nos dimos cuenta de que era el proceso Breit-Wheeler”, dijo Ruan. “Vimos algo diferente de lo que esperábamos habitualmente de las colisiones de iones pesados, pero fue realmente cuando Daniel [Brandenburg] comenzó a hacer el análisis de datos con precisión de calibre STAR, con todas las mediciones de cinemática diferencial, que pudimos decir: ‘Oh , este es realmente el proceso Breit-Wheeler ‘”.

Esta validación histórica de un proceso teorizado desde hace mucho tiempo es emocionante en sí mismo, pero el experimento logró otro avance igualmente importante: la primera demostración basada en la Tierra de un fenómeno conocido como birrefringencia en el vacío, un concepto que también se remonta a casi un siglo.  

En 1936, los físicos Hans Heinrich Euler y Werner Heisenberg (de la fama del “principio de incertidumbre de Heisenberg”) predijeron que poderosos campos magnéticos podrían polarizar un vacío, un efecto que daría forma a la trayectoria de la luz que viaja a través de este espacio vacío de formas extrañas. Aproximadamente 20 años después, el físico John Toll elaboró ​​esta idea al describir la birrefringencia del vacío, que describe cómo la polarización afecta la absorción de luz por un campo magnético en el vacío. 

La birrefringencia se puede observar en materiales más familiares, como los cristales, lo que hace que la luz divida su forma de onda y produzca una imagen doble. Este efecto también se puede observar en ambientes extremos en el espacio, como la región que rodea a las estrellas de neutrones, que son estrellas muertas colapsadas con campos magnéticos extremadamente fuertes que pueden exponer la polarización de la luz. 

La colaboración STAR ahora ha capturado la birrefringencia del vacío en la Tierra por primera vez, que es una importante validación experimental de un principio mecánico cuántico fundamental.

“La razón por la que esto es tan interesante es porque un fotón no tiene carga, por lo que, en el sentido clásico, no debería verse afectado por un campo magnético”, explicó Brandenburg. “Por eso es una prueba clara de estos aspectos fundamentales de la mecánica cuántica. Un fotón puede fluctuar constantemente en este par electrón-positrón que interactúa con el campo magnético, y eso es exactamente lo que medimos “. 

“El verdadero descubrimiento aquí es que se puede hacer esto en el vacío del espacio con un fuerte campo magnético, y la razón por la que es tan importante es que es la primera vez que se puede medir la función de onda del fotón directamente”, agregó.

La demostración dual del proceso Breit-Wheeler y la birrefringencia al vacío es lo que distingue al avance de STAR de los experimentos anteriores que han convertido la energía en materia. 

Durante un influyente experimento en 1997, el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC utilizó colisiones entre láseres y haces de electrones para crear pares de electrones y positrones a partir de fotones. Sin embargo, ese proceso no se capturó con la precisión de alto nivel lograda por el equipo STAR, que reveló detalles nunca antes vistos de la conversión que se derivaron, en parte, del efecto de birrefringencia del vacío. 

“Esta es la primera medición que puede decir, desde un punto de vista experimental, que en realidad observamos, aunque solo sea en un abrir y cerrar de ojos, estos campos eléctricos y magnéticos ultrafuertes”, dijo Brandenburg. “Eso nos llevó a tener la capacidad, por primera vez, de demostrar experimentalmente que tenemos estos campos magnéticos ultrafuertes, los más fuertes del universo. No hay nada más en el universo que produzca campos tan fuertes “.  

Un experimento reciente en el Gran Colisionador de Hadrones transformó la energía en masa al romper fotones para producir bosones W, que son formas de materia de corta duración que median la fuerza nuclear débil: una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Sin embargo, en comparación con los electrones, los bosones W son una forma de materia extremadamente exótica que se desintegra en una pequeña fracción de segundo. Si bien el logro representa un avance único en sí mismo, no es una demostración del proceso Breit-Wheeler (ni el LHC afirma que lo sea).

“Son dos fotones que chocan para crear algo que tiene una masa, pero claramente no es lo que Breit y Wheeler calcularon o predijeron”, dijo Xu. “En su tiempo, no existía el concepto de interacciones débiles o [cromodinámica cuántica]. El láser ni siquiera fue inventado “. 

De esta manera, los experimentos de LHC, SLAC y Brookhaven sirven como pruebas complementarias de que la famosa fórmula de Einstein funciona en ambos sentidos, aunque es significativamente más difícil crear masa a partir de energía que a la inversa. La demostración adicional de birrefringencia en el vacío de la colaboración STAR ha agregado una nueva capa de innovación y conocimiento que puede arrojar luz sobre procesos exóticos que varían en escala desde los diminutos interiores cuánticos de los átomos hasta enormes extensiones cósmicas. 

Por ejemplo, las nuevas mediciones pueden ayudar a los astrofísicos y cosmólogos a modelar la creación de pares de electrones positivos a partir de la luz alrededor de los objetos y eventos más energéticos del universo, como las supernovas o los entornos explosivos cerca de algunos agujeros negros. La colaboración STAR también planea dar seguimiento a este experimento al intentar tomar las primeras imágenes 2D del núcleo de un átomo, exponiendo detalles sin precedentes sobre estas estructuras fundamentales de la materia.

Más allá de las implicaciones científicas del nuevo experimento, el descubrimiento también ilustra cómo la investigación financiada con fondos federales puede unir a las personas para desentrañar algunos de los mayores misterios de la física. Después de todo, la colaboración STAR incluye a más de 700 científicos de 14 países, cada uno con su propio camino hacia su función actual como parte del equipo detector.

Al crecer en China durante las décadas de 1970 y 1980, Xu recordó que la física, las matemáticas y la química fueron tratadas como “materias de oro” por sus compañeros y profesores, lo que despertó su temprano interés por la ciencia. Pero fue finalmente el asesor de doctorado de Xu en la Universidad de Yale, Jack Sandweiss, quien lo motivó a convertirse en un investigador líder en su campo.

“Era un apasionado de la ciencia y era un personaje interesante e inspirador”, dijo Xu sobre Sandweiss, quien murió el año pasado a la edad de 90 años. “Formó parte del comité original para aprobar el proyecto RHIC”, que estaba lleno de “Personajes inspiradores involucrados en el programa de iones pesados ​​en Brookhaven”. 

“Cuando me gradué, me uní al programa RHIC”, agregó, “así que tengo una conexión desde hace mucho tiempo con RHIC incluso antes de comenzar allí”. 

Brandenburg, quien se crió en la Costa Espacial de Florida, también fue moldeada por una infancia inmersa en una cultura centrada en la ciencia. Su padre trabajó en las misiones Apollo Moon y en los vuelos del transbordador espacial, por lo que no es de extrañar que soñara con seguir sus pasos hacia las fronteras de la ciencia mientras observaba los lanzamientos de cohetes desde su patio trasero.

“Mi papá es una persona curiosa por naturaleza y siempre me hablaba sobre en qué estaban trabajando”, dijo Brandenburg. “No estoy seguro de poder darles una ruta directa de cómo llegué a la física nuclear de alta energía, pero estaba realmente fascinado por los colisionadores, la enorme cantidad de datos que se producen y el hecho de que se necesita una computación realmente avanzada. técnicas sólo para analizarlo todo “.

Al igual que Xu y Brandenburg, Ruan dijo que le debía su viaje a Brookhaven en parte a un modelo a seguir excepcional: en este caso, una maestra de matemáticas de cuarto grado. El talento y el amor de su maestra por las matemáticas inculcaron una curiosidad tan intensa en Ruan que comenzó a devorar libros de texto de nivel secundario cuando aún estaba en la escuela primaria. 

Desde entonces, la carrera de Ruan ha evolucionado junto con el detector STAR; Pasó su doctorado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China trabajando en la máquina, y se reunió con ella en Brookhaven en 2007. Ahora, ella y sus colegas están guiando a una nueva generación de científicos para superar los límites de lo que se puede lograr. con el detector.

“El experimento STAR tiene ahora unos 20 años, pero sigue siendo una máquina de descubrimiento”, dijo Ruan. “Eso es porque tenemos a todos estos científicos y estudiantes sobresalientes que trabajan incansablemente para que estas cosas sucedan. Ese es el valor de la colaboración STAR “.