¿Se puede convertir la luz en materia?

La capacidad de crear materia a partir de la luz se encuentra entre las predicciones más sorprendentes de la electrodinámica cuántica.

Se han reportado firmas experimentales de esto en la dispersión de haces de electrones ultra-relativistas con rayos láser, intensas interacciones láser-plasma y dispersión de objetivos sólidos impulsados por láser.

Sin embargo, todas estas rutas involucran partículas masivas, lo que es un inconveniente.

El mecanismo más simple por el cual la luz pura puede transformarse en materia es mediante la producción de pares Breit – Wheeler (γγ ′ → e + e−). Pero nunca se había observado en el laboratorio.

En Nature Photonics se ha presentado el diseño de una nueva clase de colisionador fotón-fotón en el que se dispara un haz de rayos gamma en el campo de radiación de alta temperatura de un hohlraum calentado por láser (hohlraum es una cavidad cuyas paredes están en equilibrio radiactivo con la energía radiante en el interior. Esta cavidad idealizada se puede aproximar en la práctica haciendo una pequeña perforación en la pared de un recipiente hueco de cualquier material opaco. La radiación que escapa a través de dicha perforación será una buena aproximación a la radiación de cuerpo negro a la temperatura del interior del recipiente).

Al hacer coincidir los parámetros experimentales con las instalaciones de la generación actual, las simulaciones sugieren que este esquema es capaz de producir del orden de 105 pares Breit-Wheeler en un solo disparo. Esto proporcionaría la primera realización de un colisionador fotón-fotón puro, que representa la llegada de un nuevo tipo de experimento de física de alta energía.

Los científicos explican que, de conseguir llevarse a cabo, estaría reproduciéndose un tipo de reacción que fue crucial en los primeros segundos de vida del universo y que también es visible en las ráfagas de rayos gamma, las mayores explosiones del universo y aún un misterio para los físicos.

En el trabajo publicado, Oliver Pike y sus colegas describen el proceso que piensan utilizar para convertir luz en materia.

Primero utilizarán un láser de alta intensidad para acelerar los electrones justo por debajo de la velocidad de la luz. Después, dispararán esos electrones hacia una losa de oro para crear un haz de fotones con mil millones de veces más energía que la luz visible, con objeto de crear un campo de radiación térmica, generando así una luz similar a la que emiten las estrellas. Después habría que dirigir el haz de fotones obtenido durante la primera fase a través del centro del contenedor usado en la segunda, haciendo que los fotones surgidos de ambas fuentes colisionen y formen electrones y positrones, cuya creación podría ser detectada por el experimento.

Tras 84 años de ensayos, un equipo del Imperial College London ha descubierto la forma de hacerlo. Es todo un hito en la física que prueba la realidad de una teoría formulada en 1934 por Breit y Wheeler.

"Se trata de una demostración pura de la famosa ecuación de Einstein que relaciona la energía y la masa: E = mc2, que nos dice cuánta energía se produce cuando la materia se convierte en energía", explica el investigador principal y profesor de física Steven Rose. "Lo que estamos haciendo es lo mismo pero al revés: convertir la energía del fotón en masa, es decir, m = E /c2".

La configuración experimental involucra dos rayos láser de muy alta potencia. Uno de ellos tiene aproximadamente 1.000 veces la energía de los fotones que producen luz visible; el otro, cerca de 1.000.000 millones de veces la energía de un fotón.

Fuentes: Nature Photonics, mayo 2014 [A photon–photon collider in a vacuum hohlraum]

Imperial College London: Experiments underway to turn light into matter | Imperial News | Imperial College London