A los pocos minutos de la vida del universo, La colisión de emisiones de energía luminosa creó las primeras partículas de materia y antimateria. Estamos familiarizados con el proceso inverso, la materia que genera energía, en todo, desde una fogata hasta una bomba atómica, pero ha sido difícil recrear esa transformación crítica de la luz en materia.

Ahora, un nuevo conjunto de simulaciones de un equipo de investigación dirigido por Alexey Arefiev de UC San Diego señala el camino para hacer materia a partir de la luz. El proceso comienza apuntando un láser de alta potencia a un objetivo para generar un campo magnético tan fuerte como el de una estrella de neutrones. Este campo genera emisiones de rayos gamma que chocan para producir, por el más breve instante, pares de partículas de materia y antimateria.

El estudio, publicado el 11 de mayo en Revisión física aplicada ofrece una especie de receta que los experimentadores de las instalaciones de láser de alta potencia de Extreme Light Infrastructure (ELI) en Europa del Este podrían seguir para producir resultados reales en uno o dos años, dijo Arefiev, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial.

"Nuestros resultados ponen a los científicos en condiciones de investigar, por primera vez, uno de los procesos fundamentales del universo, " él dijo.

Aprovechando la alta potencia

Arefiev, Doctor. El estudiante Tao Wang y sus colegas del Grupo Relativista de Simulación de Plasma Láser han estado trabajando durante años en formas de crear haces dirigidos de energía y radiación, trabajo que es apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Una forma de lograr esto, ellos notaron, sería apuntar un láser de alta potencia a un objetivo para crear un campo magnético muy fuerte que arrojaría intensas emisiones de energía.

Alta intensidad, Los pulsos de láser ultracortos dirigidos a un objetivo denso pueden hacer que el objetivo sea "relativamente transparente, "a medida que los electrones del láser se mueven a una velocidad muy cercana a la de la luz y efectivamente se vuelven más pesados, Arefiev explicó. Esto evita que los electrones del láser se muevan para proteger al objetivo de la luz del láser. A medida que el láser empuja estos electrones, genera un campo magnético tan fuerte como el tirón en la superficie de una estrella de neutrones, 100 millones de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.

Decir que todo esto sucede en un abrir y cerrar de ojos es una enorme exageración. El campo magnético existe durante 100 femtosegundos. (Un femtosegundo es 10 ^-15 de segundo, una billonésima de segundo). Pero "desde el punto de vista del láser, el campo es cuasi-estático, "dijo Arefiev." Por otra parte, desde el punto de vista del láser, nuestras vidas son probablemente más largas que la vida del universo ".

Un láser de alta potencia en este caso es uno en el rango de varios petavatios. Un petavatio es un millón de billones de vatios. Para comparacion, el Sol entrega alrededor de 174 petavatios de radiación solar a toda la atmósfera superior de la Tierra. Un puntero láser entrega aproximadamente 0,005 vatios a una diapositiva de Power Point.

Simulaciones anteriores sugirieron que el láser en cuestión tendría que ser de alta potencia y estar dirigido a un punto diminuto para producir la intensidad requerida para crear un campo magnético lo suficientemente fuerte. Las nuevas simulaciones sugieren que al aumentar el tamaño del punto focal y aumentar la potencia del láser a alrededor de 4 petavatios, la intensidad del láser podría permanecer fija y aún crear un fuerte campo magnético.

Bajo estas condiciones, las simulaciones muestran, los electrones del campo magnético acelerados por láser estimulan la emisión de rayos gamma de alta energía.

"No esperábamos que no necesitáramos ir a una intensidad loca, que es suficiente para aumentar la potencia y puedes llegar a cosas muy interesantes, "dijo Arefiev.

Pares de partículas

Una de esas cosas interesantes es la producción de pares de electrones y positrones:partículas emparejadas de materia y antimateria. Estas partículas pueden producirse colisionando dos haces de rayos gamma o colisionando un haz de rayos gamma con la radiación del cuerpo negro, un objeto que absorbe toda la radiación que cae sobre él. El método produce muchos de ellos:decenas a cientos de miles de pares nacidos de una colisión.

Los científicos han realizado la hazaña de la luz en la materia antes, notablemente en un experimento de Stanford de 1997, pero ese método requería una corriente adicional de electrones de alta energía, mientras que el nuevo método "es solo la luz que se utiliza para producir materia, ", dijo Arefiev. También señaló que el experimento de Stanford" produciría un par de partículas aproximadamente cada 100 disparos ".

Un experimento que usa solo luz para crear materia imita más de cerca las condiciones durante los primeros minutos del universo, ofreciendo un modelo mejorado para los investigadores que buscan obtener más información sobre este período de tiempo crítico. El experimento también podría brindar más oportunidades para estudiar partículas de antimateria, que siguen siendo una parte misteriosa de la composición del universo. Por ejemplo, los científicos tienen curiosidad por saber más sobre por qué el universo parece tener más materia que antimateria, cuando los dos deberían existir en cantidades iguales.

Arefiev y sus colegas se sintieron animados a hacer estas simulaciones ahora porque las instalaciones láser capaces de llevar a cabo los experimentos reales ya están disponibles. "Hicimos específicamente los cálculos para los láseres que no estaban disponibles hasta hace poco, pero ahora debería estar disponible en estas instalaciones de láser, " él dijo.

En un extraño giro Las simulaciones propuestas por el equipo de investigación también podrían ayudar a los científicos de ELI a determinar si sus láseres son tan intensos como creen. Disparar un láser en el rango de varios petavatios a un objetivo de solo cinco micrones de diámetro "destruye todo, ", dijo Arefiev." Disparas y se ha ido, nada es recuperable, y en realidad no se puede medir la intensidad máxima que se produce ".

Pero si los experimentos producen rayos gamma y pares de partículas como se predijo, "Esta será una validación de que la tecnología láser puede alcanzar una intensidad tan alta, "añadió.

El año pasado, Los investigadores de UC San Diego recibieron una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. que les permite asociarse con investigadores de ELI para llevar a cabo estos experimentos. Esta asociación es fundamental, Arefiev dijo:porque no hay instalaciones en los Estados Unidos con láseres lo suficientemente potentes, a pesar de un informe de 2018 de las Academias Nacionales de Ciencias que advierte que Estados Unidos ha perdido su ventaja al invertir en tecnología láser ultrarrápida intensa.

Arefiev dijo que las instalaciones láser de ELI estarán listas para probar sus simulaciones en un par de años. "Esta es la razón por la que escribimos este artículo, porque el láser está operativo, por lo que no estamos tan lejos de hacer esto, ", dijo." Con la ciencia, eso es lo que me atrae. Ver es creer."