Los científicos que estudian las colisiones de partículas en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de la física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE, han producido evidencia definitiva de dos fenómenos físicos predichos hace más de 80 años. Los resultados se derivaron de un análisis detallado de más de 6, 000 pares de electrones y positrones producidos en colisiones de partículas en el RHIC y se publican en Cartas de revisión física .

El hallazgo principal es que los pares de electrones y positrones (partículas de materia y antimateria) pueden crearse directamente colisionando fotones muy energéticos, que son "paquetes" cuánticos de luz. Esta conversión de luz energética en materia es una consecuencia directa de la famosa ecuación E =mc2 de Einstein, que establece 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 luminosa directamente en materia en un solo paso.

El segundo resultado muestra que la trayectoria de la luz que viaja a través de un campo magnético en el vacío se dobla de manera diferente dependiendo de cómo esté polarizada esa luz. Tal desviación dependiente de la polarización (conocida como birrefringencia) ocurre cuando la luz viaja a través de ciertos materiales. (Este efecto es similar a la forma en que la deflexión dependiente de la longitud de onda divide la luz blanca en arco iris). Pero esta es la primera demostración de la flexión de la luz dependiente de la polarización en el vacío.

Ambos resultados dependen de la capacidad del detector STAR de RHIC, el rastreador de solenoides en RHIC, para medir la distribución angular de partículas producidas en colisiones de iones de oro que se mueven casi a la velocidad de la luz.

Choque de nubes de fotones

Tales capacidades no existían cuando los físicos Gregory Breit y John A. Wheeler describieron por primera vez la posibilidad hipotética de colisionar partículas de luz para crear pares de electrones y sus contrapartes de antimateria. conocido como positrones, en 1934.

"En su periódico, Breit y Wheeler ya se dieron cuenta de que esto es casi imposible de hacer, "dijo el físico de Brookhaven Lab, Zhangbu Xu, miembro de STAR Collaboration de RHIC. "¡Los láseres ni siquiera existían todavía! Pero Breit y Wheeler propusieron una alternativa:acelerar los iones pesados. Y su alternativa es exactamente lo que estamos haciendo en RHIC".

Un ion es esencialmente un átomo desnudo, despojado de sus electrones. Un ion de oro con 79 protones, lleva una poderosa carga positiva. Acelerar un ion pesado tan cargado a velocidades muy altas genera un poderoso campo magnético que gira en espiral alrededor de la partícula acelerada a medida que viaja, como la corriente que fluye a través de un cable.

"Si la velocidad es lo suficientemente alta, la fuerza del campo magnético circular puede ser igual a la fuerza del campo eléctrico perpendicular, ", Dijo Xu. Y esa disposición de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares de igual intensidad es exactamente lo que es un fotón:una" partícula "cuantificada de luz". cuando los iones se mueven cerca de la velocidad de la luz, hay un montón de fotones que rodean el núcleo de oro, viajando con él como una nube ".

En RHIC, Los científicos aceleran los iones de oro al 99,995% de la velocidad de la luz en dos anillos aceleradores.

"Tenemos dos nubes de fotones que se mueven en direcciones opuestas con suficiente energía e intensidad como para que cuando los dos iones pasen entre sí sin chocar, esos campos de fotones pueden interactuar, "Dijo Xu.

Los físicos de STAR rastrearon las interacciones y buscaron los pares electrones-positrones predichos.

Pero tales pares de partículas pueden crearse mediante una variedad de procesos en RHIC, incluso a través de fotones "virtuales", un estado de fotón que existe brevemente y lleva una masa efectiva. Para estar seguro de que los pares de materia-antimateria provenían de fotones reales, los científicos tienen que demostrar que la contribución de fotones "virtuales" no cambia el resultado del experimento.

Para hacer eso, Los científicos de STAR analizaron los patrones de distribución angular de cada electrón en relación con su positrón asociado. Estos patrones difieren para los pares producidos por interacciones de fotones reales versus fotones virtuales.

"También medimos toda la energía, distribuciones masivas, y números cuánticos de los sistemas. Son consistentes con los cálculos teóricos de lo que sucedería con los fotones reales, "dijo Daniel Brandenburg, un miembro de Goldhaber en Brookhaven Lab, quien analizó los datos de STAR sobre este descubrimiento.

Otros científicos han intentado crear pares de electrones y positrones a partir de colisiones de luz utilizando potentes láseres:rayos enfocados de luz intensa. Pero los fotones individuales dentro de esos intensos rayos aún no tienen suficiente energía, Brandeburgo dijo.

Un experimento en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en 1997 tuvo éxito mediante el uso de un proceso no lineal. Los científicos allí primero tuvieron que aumentar la energía de los fotones en un rayo láser colisionando con un poderoso rayo de electrones. Las colisiones de los fotones potenciados con múltiples fotones simultáneamente en un enorme campo electromagnético creado por otro láser produjeron materia y antimateria.

"Nuestros resultados proporcionan una clara evidencia de creación en un solo paso de pares de materia-antimateria a partir de colisiones de luz como lo predijeron originalmente Breit y Wheeler, ", Dijo Brandenburg." Gracias al haz de iones pesados ​​de alta energía del RHIC y la gran aceptación y las mediciones de precisión del detector STAR, podemos analizar todas las distribuciones cinemáticas con altas estadísticas para determinar que los resultados experimentales son de hecho consistentes con las colisiones de fotones reales ".

Doblando la luz en el vacío

La capacidad de STAR para medir las diminutas desviaciones de electrones y positrones producidas casi una tras otra en estos eventos también les dio a los físicos una forma de estudiar cómo las partículas de luz interactúan con los poderosos campos magnéticos generados por los iones acelerados.

"La nube de fotones que rodea a los iones de oro en uno de los rayos de RHIC se dispara hacia el fuerte campo magnético circular producido por los iones acelerados en el otro rayo de oro, "dijo Chi Yang, un colaborador de STAR desde hace mucho tiempo de la Universidad de Shandong que pasó toda su carrera estudiando pares electrón-positrón producidos a partir de varios procesos en RHIC. "Observar la distribución de las partículas que salen nos dice cómo la luz polarizada interactúa con el campo magnético".

Werner Heisenberg y Hans Heinrich Euler en 1936, y John Toll en la década de 1950, predijo que un vacío de espacio vacío podría ser polarizado por un poderoso campo magnético y que tal vacío polarizado debería desviar las trayectorias de los fotones dependiendo de la polarización de los fotones. Peaje, en su tesis, También detalló cómo la absorción de luz por un campo magnético depende de la polarización y su conexión con el índice de refracción de la luz en el vacío. Esta desviación dependiente de la polarización, o birrefringencia, se ha observado en muchos tipos de cristales. También hubo un informe reciente de que la luz proveniente de una estrella de neutrones se dobla de esta manera, presumiblemente debido a sus interacciones con el campo magnético de la estrella. Pero ningún experimento realizado en la Tierra ha detectado birrefringencia en el vacío.

En RHIC, los científicos midieron cómo la polarización de la luz afectaba si la luz era "absorbida" por el campo magnético.

Esto es similar a la forma en que las gafas de sol polarizadas bloquean el paso de ciertos rayos si no coinciden con la polarización de las lentes. Yang explicó. En el caso de las gafas de sol, además de ver pasar menos luz, tú podrías, en principio, mida un aumento en la temperatura del material de la lente a medida que absorbe la energía de la luz bloqueada. En RHIC, la energía luminosa absorbida es lo que crea los pares electrón-positrón.

"Cuando observamos los productos producidos por interacciones fotón-fotón en RHIC, vemos que la distribución angular de los productos depende del ángulo de polarización de la luz. Esto indica que la absorción (o el paso) de la luz depende de su polarización, "Dijo Yang.

Esta es la primera observación experimental basada en la Tierra en la que la polarización afecta las interacciones de la luz con el campo magnético en el vacío, la birrefringencia del vacío predicha en 1936.

"Ambos hallazgos se basan en predicciones hechas por algunos de los grandes físicos a principios del siglo XX, "dijo Frank Geurts, profesor de la Universidad Rice, cuyo equipo construyó y operó los componentes del detector de "tiempo de vuelo" de última generación de STAR que eran necesarios para esta medición. "Se basan en mediciones fundamentales que solo han sido posibles recientemente con las tecnologías y técnicas de análisis que hemos desarrollado en RHIC".