E = mc² ganha vida: simulando a criação de matéria a partir da luz laser

por Klaus Müller
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Photon-Photon Collisions

Os pesquisadores da Universidade de Osaka conduziram simulações para ilustrar a possibilidade de criação de matéria a partir da luz laser, um desenvolvimento significativo no domínio da física quântica. Este avanço tem o potencial de fornecer insights sobre a composição do universo e descobrir novos princípios na física.

A equipe, liderada por cientistas da Universidade de Osaka e da UC, San Diego, empregou simulações para mostrar a geração experimental de matéria a partir da luz, um conceito profundamente enraizado na física quântica. Embora objetos astronômicos como os pulsares atinjam esse fenômeno, replicá-lo em laboratório permanece uma tarefa difícil. No entanto, realizar tal geração de matéria a partir da luz abriria a porta para testes extensivos de teorias fundamentais da física quântica e para a nossa compreensão da estrutura fundamental do universo.

Seu estudo, publicado recentemente na Physical Review Letters, detalha a simulação de condições onde ocorrem colisões fóton-fóton usando lasers. A simplicidade da configuração experimental, aliada à sua compatibilidade com as intensidades de laser atualmente disponíveis, posiciona-o como um candidato promissor para implementação prática num futuro próximo.

As colisões fóton-fóton, teorizadas como um mecanismo fundamental para a criação de matéria no universo, originam-se da famosa equação de Einstein, E = mc². Os investigadores já geraram indiretamente matéria a partir da luz, acelerando iões metálicos, como o ouro, a velocidades extremamente elevadas, resultando na produção de matéria e antimatéria à medida que interagiam. No entanto, conseguir a geração experimental de matéria usando apenas luz laser tem sido um desafio devido aos lasers de potência excepcionalmente alta necessários. Portanto, os pesquisadores embarcaram na simulação desse processo para preparar o caminho para avanços experimentais.

Suas simulações revelam que, quando exposto aos intensos campos eletromagnéticos dos lasers, o plasma denso pode se auto-organizar em um colisor de fótons. Este colisor contém uma alta concentração de raios gama, ultrapassando em dez vezes a densidade dos elétrons no plasma e possuindo níveis de energia um milhão de vezes maiores que os fótons do laser.

Dentro do colisor fóton-fóton, as colisões entre fótons produzem pares elétron-pósitron, com os pósitrons posteriormente acelerados por um campo elétrico de plasma gerado pelo laser. Isto leva à geração de um feixe de pósitrons, uma conquista significativa por si só.

O professor Arefiev, coautor da UCSD, destaca que esta simulação representa o primeiro exemplo de aceleração de pósitrons através do processo linear de Breit-Wheeler sob condições relativísticas, enfatizando sua viabilidade experimental.

Vyacheslav Lukin, diretor de programa da Fundação Nacional de Ciência dos EUA, que apoiou a pesquisa, ressalta o potencial deste trabalho para explorar os mistérios do universo em um ambiente de laboratório, especialmente em instalações de laser de alta potência.

Embora esta pesquisa possa ainda não nos aproximar da tecnologia fictícia de conversão matéria-energia de Star Trek, ela contém a promessa de validar experimentalmente a nossa compreensão da composição do universo e potencialmente descobrir facetas da física até então desconhecidas.

Referência: “Geração e aceleração de pósitrons em um colisor de fótons auto-organizado habilitado por um pulso de laser 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

Perguntas frequentes (FAQs) sobre colisões fóton-fóton

Qual é a principal conquista dos pesquisadores da Universidade de Osaka neste estudo?

A principal conquista dos pesquisadores da Universidade de Osaka é a simulação de condições que permitem colisões fóton-fóton usando lasers, potencialmente abrindo caminho para a geração de matéria a partir da luz em ambientes laboratoriais.

Por que gerar matéria a partir da luz é importante no domínio da física quântica?

Gerar matéria a partir da luz é significativo porque se alinha com uma das previsões mais marcantes da física quântica. Oferece o potencial para testar teorias fundamentais sobre a composição do universo e os princípios da física quântica.

Como as colisões fóton-fóton se relacionam com a equação de Einstein E=mc²?

As colisões fóton-fóton são teorizadas como um meio fundamental pelo qual a matéria é gerada, e este conceito está enraizado na equação de Einstein E = mc², onde a energia (E) pode ser convertida em matéria (m).

Que desafios têm dificultado a geração de matéria experimental a partir da luz laser em laboratórios?

O principal desafio tem sido a necessidade de lasers de potência extremamente alta. Alcançar a intensidade do laser necessária para a geração de matéria tem sido um obstáculo significativo em experimentos de laboratório.

Como os pesquisadores superaram esses desafios em seu estudo?

Os pesquisadores usaram simulações para demonstrar que o plasma denso pode se auto-organizar em um colisor de fótons-fótons quando exposto a intensos campos eletromagnéticos de laser. Este colisor contém uma alta concentração de raios gama, permitindo colisões fóton-fóton e geração de matéria.

Qual é o significado prático desta pesquisa para experimentos futuros?

A simplicidade da configuração experimental e sua compatibilidade com as intensidades de laser existentes tornam-no um candidato promissor para futuras implementações experimentais. Esta pesquisa abre portas para uma maior exploração dos mistérios do universo em ambientes laboratoriais.

Esta pesquisa pode levar a aplicações no mundo real além da física fundamental?

Embora não esteja diretamente relacionada com aplicações práticas, esta investigação pode ajudar a validar experimentalmente a nossa compreensão da composição do Universo e potencialmente levar a novas descobertas na física. No entanto, atualmente não tem aplicações diretas no mundo real além da investigação científica fundamental.

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