Los científicos que trabajan en el detector STAR en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los Estados Unidos informaron que pudieron obtener evidencia convincente de dos fenómenos físicos predichos hace más de 80 años: la formación de materia directamente a partir de la luz y que el magnetismo puede doblar fotones polarizados en un vacío. ... Los resultados de la investigación se publican en la revista Physical Review Letters.
El detector STAR es uno de los cuatro experimentos del Relativistic Ion Collider (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU.
El principal descubrimiento es que los pares de electrones y positrones - partículas de materia y antimateria - pueden ser creados directamente por la colisión de fotones altamente energéticos, que son "paquetes" cuánticos de luz.
Esta transformación de luz energética en materia es una consecuencia directa de la famosa ecuación de Einstein E = mc2, que dice que la energía y la materia, o masa, son intercambiables. Las reacciones nucleares en el sol y en las plantas de energía nuclear convierten regularmente la materia en energía. Ahora los científicos han convertido la energía de la luz de nuevo en materia en un solo paso directamente.
El segundo resultado muestra que la trayectoria de la luz que pasa a través de un campo magnético en el vacío se dobla de manera diferente dependiendo de cómo esté polarizada la luz. Esta desviación dependiente de la polarización, conocida como birrefringencia, ocurre cuando la luz atraviesa ciertos materiales.
Ambos resultados se lograron gracias a la capacidad del detector RHIC STAR para medir la distribución angular de partículas producidas por colisiones de iones de oro que se mueven casi a la velocidad de la luz. Tales posibilidades no existían cuando, en 1934, los físicos Gregory Breit y John Wheeler describieron por primera vez la posibilidad hipotética de que las partículas de luz chocaran para formar pares de electrones y sus contrapartes de antimateria conocidas como positrones.
"En su artículo, Breit y Wheeler señalaron que esto es casi imposible de hacer", citó en un comunicado de prensa del Laboratorio Brookhaven uno de los autores del estudio, el físico Zhangbu Xu, miembro de la colaboración RHIC STAR. todavía no había láseres. Pero Breit y Wheeler propusieron una alternativa: acelerar los iones pesados. Y eso es exactamente lo que estamos haciendo en RHIC ".
Los científicos han dispersado iones de oro al 99,995 por ciento de la velocidad de la luz en los dos anillos del colisionador.
“Tenemos dos nubes de fotones que se mueven en direcciones opuestas con suficiente energía e intensidad para que cuando dos iones se deslizan entre sí sin chocar, estos campos de fotones pueden interactuar”, explica Xu.
Los físicos de STAR rastrearon las interacciones y buscaron pares de electrones y positrones predichos. Pero estos pares de partículas se pueden crear, incluso con la ayuda de estados a corto plazo de fotones "virtuales". Para distinguir los fotones reales de los virtuales, los autores analizaron las regularidades de la distribución angular de cada electrón con respecto a su positrón asociado. Estos patrones de distribución son diferentes para los pares formados por la interacción de fotones reales y virtuales.
"También medimos la energía, la distribución de masa y los números cuánticos de los sistemas. Son consistentes con los cálculos teóricos y confirman que esto podría haber sucedido con fotones reales", dijo otro participante de la investigación, Daniel Brandenburg, investigador del Laboratorio Brookhaven. Los resultados proporcionan una clara evidencia de la creación directa en un solo paso de pares de materia-antimateria por colisiones de luz, como lo predijeron originalmente Breit y Wheeler ".
En otro experimento, los científicos demostraron que la polarización afecta la interacción de la luz con un campo magnético en el vacío. Este efecto, similar a cómo la desviación dependiente de la longitud de onda separa la luz blanca en un arco iris, se predijo en 1936. Pero en el experimento, se observó por primera vez el fenómeno de la desviación de la luz dependiente de la polarización en el vacío.