Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Osaka y la Universidad de California en San Diego ha utilizado simulaciones para demostrar cómo se puede crear materia experimentalmente utilizando solo luz, lo que en el futuro podría ayudar a probar teorías de larga data sobre la composición del universo.Una de las predicciones más sorprendentes de la física cuántica es que la materia puede crearse enteramente a partir de luz o fotones y, de hecho, objetos llamados púlsares han logrado esta hazaña. Generar materia directamente de esta manera aún no se ha logrado en el laboratorio, pero ayudaría a probar más a fondo las teorías fundamentales de la física cuántica y la composición fundamental del universo.
En un estudio reciente publicado en Physical Review Letters, un equipo de investigación dirigido por investigadores de la Universidad de Osaka simuló las condiciones de las colisiones entre fotones utilizando únicamente láseres. Debido a la sencilla configuración y la facilidad de implementación con las intensidades de láser existentes, se espera que se realicen experimentos en un futuro próximo.
Teóricamente, la colisión fotón-fotón es el medio básico para producir materia en el universo. Se deriva de la famosa ecuación de Einstein E=mc². De hecho, los investigadores han creado materia a partir de la luz de forma indirecta: acelerando entre sí iones metálicos como el oro a altas velocidades. A velocidades tan altas, cada ion está rodeado de fotones que, al pasar entre sí, crean materia y antimateria.
Sin embargo, en los laboratorios modernos, producir materia utilizando únicamente láseres es un desafío porque se requieren láseres de potencia extremadamente alta. Simular cómo se logra esta hazaña en el laboratorio podría conducir a avances experimentales, y eso es lo que los investigadores se propusieron hacer.
"Los experimentos de simulación demostraron que el plasma denso puede autoorganizarse en un colisionador fotón-fotón cuando interactúa con el fuerte campo electromagnético del láser", explica el Dr. Sugimoto, primer autor del estudio. "Este colisionador contiene un denso enjambre de rayos gamma con una densidad diez veces mayor que la densidad de los electrones en el plasma y una energía un millón de veces mayor que la energía de los fotones en los láseres".
Las colisiones fotón-fotón en el colisionador producen pares electrón-positrón, y el campo eléctrico de plasma generado por el láser acelera los positrones. Esto crea un haz de positrones.
"Esta es la primera simulación de positrones acelerados a partir de un proceso lineal de Brett-Weller en condiciones relativistas", dijo el coautor Profesor Arefiev de la Universidad de California en San Diego. "Creemos que nuestra propuesta es experimentalmente factible y esperamos implementarla en el mundo real".
El Dr. Vyacheslav Lukin, director del programa de la Fundación Nacional de Ciencias que apoyó el trabajo, dijo: "Esta investigación demuestra una forma potencial de explorar los misterios del universo en un laboratorio. Las posibilidades futuras de las instalaciones láser de alta potencia hoy y en el futuro se vuelven aún más fascinantes".
Las aplicaciones de este trabajo a la tecnología ficticia de conversión de materia en energía que aparece en Star Trek siguen siendo ficticias. Aún así, el trabajo tiene el potencial de ayudar a confirmar experimentalmente teorías sobre cómo se forma el universo, e incluso puede ayudar a descubrir física previamente desconocida.
Referencia: K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, I-L. Yeh, K. Tangtartharakul, A. Arefiev e Y. Sentoku, 9 de agosto de 2023, "Physical Review Letters".
DOI:10.1103/PhysRevLett.131.065102
Fuente compilada: ScitechDaily