E=mc² cobra vida: simulando la creación de materia a partir de luz láser

por Klaus Müller
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Photon-Photon Collisions

Los investigadores de la Universidad de Osaka han realizado simulaciones para ilustrar la posibilidad de crear materia a partir de luz láser, un avance significativo en el ámbito de la física cuántica. Este avance tiene el potencial de proporcionar información sobre la composición del universo y descubrir nuevos principios en física.

El equipo, dirigido por científicos de la Universidad de Osaka y la UC de San Diego, empleó simulaciones para mostrar la generación experimental de materia a partir de la luz, un concepto profundamente arraigado en la física cuántica. Si bien los objetos astronómicos como los púlsares logran este fenómeno, replicarlo en un laboratorio sigue siendo difícil de alcanzar. Sin embargo, lograr esa generación de materia a partir de la luz abriría la puerta a pruebas exhaustivas de las teorías fundamentales de la física cuántica y a nuestra comprensión de la estructura fundamental del universo.

Su estudio, publicado recientemente en Physical Review Letters, detalla la simulación de condiciones en las que se producen colisiones entre fotones utilizando láseres. La simplicidad de la configuración experimental, junto con su compatibilidad con las intensidades de láser disponibles actualmente, lo posiciona como un candidato prometedor para la implementación práctica en un futuro próximo.

Las colisiones fotón-fotón, que se teoriza como un mecanismo fundamental para la creación de materia en el universo, se originan a partir de la famosa ecuación de Einstein, E=mc². Anteriormente, los investigadores habían generado materia indirectamente a partir de la luz acelerando iones metálicos, como el oro, a velocidades extremadamente altas, lo que resultó en la producción de materia y antimateria a medida que interactuaban. Sin embargo, lograr la generación de materia experimental utilizando únicamente luz láser ha sido un desafío debido a los láseres de potencia excepcionalmente altos necesarios. Por lo tanto, los investigadores se embarcaron en la simulación de este proceso para allanar el camino para avances experimentales.

Sus simulaciones revelan que, cuando se expone a los intensos campos electromagnéticos de los láseres, el plasma denso puede autoorganizarse en un colisionador fotón-fotón. Este colisionador contiene una alta concentración de rayos gamma, superando diez veces la densidad de los electrones en el plasma y posee niveles de energía un millón de veces mayores que los fotones del láser.

Dentro del colisionador fotón-fotón, las colisiones entre fotones producen pares electrón-positrón, que posteriormente son acelerados por un campo eléctrico de plasma generado por el láser. Esto conduce a la generación de un haz de positrones, un logro significativo en sí mismo.

El profesor Arefiev, coautor de la UCSD, destaca que esta simulación representa el primer caso de aceleración de positrones a través del proceso lineal de Breit-Wheeler en condiciones relativistas, enfatizando su viabilidad experimental.

El Dr. Vyacheslav Lukin, director de programa de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., que apoyó la investigación, subraya el potencial de este trabajo para explorar los misterios del universo en un entorno de laboratorio, especialmente en instalaciones láser de alta potencia.

Si bien es posible que esta investigación aún no nos acerque a la tecnología ficticia de conversión de materia-energía de Star Trek, promete validar experimentalmente nuestra comprensión de la composición del universo y potencialmente descubrir facetas de la física previamente desconocidas.

Referencia: “Generación y aceleración de positrones en un colisionador de fotones autoorganizado habilitado por un pulso láser ultraintenso” por K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, IL. Yeh, K. Tangtartharakul, A. Arefiev e Y. Sentoku, 9 de agosto de 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.065102

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre las colisiones fotón-fotón

¿Cuál es el principal logro de los investigadores de la Universidad de Osaka en este estudio?

El principal logro de los investigadores de la Universidad de Osaka es la simulación de condiciones que permiten colisiones entre fotones utilizando láseres, lo que podría allanar el camino para generar materia a partir de luz en entornos de laboratorio.

¿Por qué es importante generar materia a partir de la luz en el ámbito de la física cuántica?

Generar materia a partir de la luz es importante porque se alinea con una de las sorprendentes predicciones de la física cuántica. Ofrece la posibilidad de probar teorías fundamentales sobre la composición del universo y los principios de la física cuántica.

¿Cómo se relacionan las colisiones fotón-fotón con la ecuación de Einstein E = mc²?

Se teoriza que las colisiones fotón-fotón son un medio fundamental por el cual se genera materia, y este concepto tiene sus raíces en la ecuación de Einstein E = mc², donde la energía (E) se puede convertir en materia (m).

¿Qué desafíos han obstaculizado la generación de materia experimental a partir de luz láser en los laboratorios?

El principal desafío ha sido la necesidad de láseres de potencia extremadamente alta. Lograr la intensidad láser necesaria para la generación de materia ha sido un obstáculo importante en los experimentos de laboratorio.

¿Cómo superaron los investigadores estos desafíos en su estudio?

Los investigadores utilizaron simulaciones para demostrar que el plasma denso puede autoorganizarse en un colisionador fotón-fotón cuando se expone a intensos campos electromagnéticos láser. Este colisionador contiene una alta concentración de rayos gamma, lo que permite colisiones entre fotones y generación de materia.

¿Cuál es la importancia práctica de esta investigación para experimentos futuros?

La simplicidad de la configuración experimental y su compatibilidad con las intensidades de láser existentes lo convierten en un candidato prometedor para futuras implementaciones experimentales. Esta investigación abre las puertas a una mayor exploración de los misterios del universo en entornos de laboratorio.

¿Puede esta investigación conducir a aplicaciones del mundo real más allá de la física fundamental?

Si bien no está directamente relacionada con aplicaciones prácticas, esta investigación puede ayudar a validar experimentalmente nuestra comprensión de la composición del universo y conducir potencialmente a nuevos descubrimientos en física. Sin embargo, actualmente no tiene aplicaciones directas en el mundo real más allá de la investigación científica fundamental.

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