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Materia creata da collisioni di fotoni

Quando due fotoni si schiantano l'uno contro l'altro con forza sufficiente, il risultato è la materia

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Nella fisica delle particelle, le collisioni ad alta velocità di solito sono una buona cosa.

E, quando due fotoni si schiantano l’uno contro l’altro con forza sufficiente, il risultato è la materia, secondo la teoria della relatività speciale di Einstein. Questo processo produrrebbe una coppia elettrone-positrone, che rappresenta la conversione della luce in massa, che sembrava al di là della nostra portata. 

I fisici hanno scoperto un mezzo per farlo nella vita reale usando il Relativistic Heavy Ion Collider al Brookhaven National Laboratory, assistendo direttamente a questa reazione, che è chiamata processo di Briet-Wheeler, secondo un recente articolo pubblicato sulla rivista  Physical Review Letters.

Si tratta di una scoperta sostanziale, costruita su un muro teorico che solo decenni fa sembrava insormontabile.

Accelerazione degli ioni d’oro quasi alla velocità della luce

Nel loro articolo, Breit e Wheeler si erano già resi conto che questo è quasi impossibile da fare“, ha spiegato Zhangbu Xu, un fisico del Brookhaven Lab, sui due scienziati che inizialmente hanno descritto il processo, in un post sul blog pubblicato sul sito web ufficiale del Lab

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I laser non esistevano ancora! Ma Breit e Wheeler hanno proposto un’alternativa: accelerare gli ioni pesanti. E la loro alternativa è esattamente ciò che stiamo facendo alla RHIC“. 

Gli ioni accelerati si riferiscono all’aumento della velocità dei nuclei atomici che sono stati privati ​​degli elettroni. Poiché questi ultimi hanno una carica negativa, e i restanti protoni contenuti nel nucleo dell’atomo mantengono una carica positiva, questo rende gli elementi più pesanti direttamente proporzionali ad una maggiore carica positiva, poiché ha più protoni senza elettroni.

I ricercatori di questo recente studio hanno utilizzato ioni d’oro, che hanno 79 protoni. È una carica così forte che, quando accelerati a altissime velocità, gli ioni d’oro generano un campo magnetico circolare che rivaleggia con il campo elettrico perpendicolare nel collisore.

Quando questi due campi si intersecano, possono portare alla generazione di particelle elettromagnetiche, chiamate anche fotoni. “Quindi, quando gli ioni si muovono vicino alla velocità della luce, ci sono un mucchio di fotoni che circondano il nucleo d’oro, viaggiando con esso come una nuvola“, ha detto Xu, nel post del blog. 

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Il RHIC accelera gli ioni a velocità relativistiche, il che significa una frazione sostanziale della velocità della luce. Il recente esperimento ha visto gli ioni d’oro accelerare fino a raggiungere il 99,995% della velocità della luce. È molto, molto veloce.

I fisici hanno rilevato diverse proprietà di un processo Breit-Wheeler

E, quando due ioni si sfiorano l’un l’altro, le loro due nuvole di fotoni iniziano a interagire e persino a scontrarsi. Questi incontri avvengono senza rilevamento, ma il rendimento della reazione, coppie elettrone-positrone, può essere rilevato.

Questo, però non è abbastanza, dal momento che i fotoni generati tramite questa interazione elettromagnetica sono semplicemente di natura virtuale – gonfiandosi dentro e fuori dall’esistenza e senza la massa “reale” misurabile delle loro controparti fisiche.

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Per soddisfare le condizioni di un processo Breit-Wheeler completo, due fotoni “reali” devono urtarsi contro un’altra coppia reale di fotoni.

Fortunatamente per i fisici moderni, esiste un mezzo tecnico per differenziare tra coppie virtuali elettrone-positrone e il vero processo Breit-Wheeler: i fisici hanno rilevato diverse proprietà dei fotoni reali, tra cui l’energia, le distribuzioni di massa e i numeri quantici dei sistemi, secondo Daniel Brandenburg, un fisico del Brookhaven Lab, nel post del blog. 

I nostri risultati forniscono una chiara prova della creazione diretta e in un unico passaggio di coppie materia-antimateria da collisioni di luce, come originariamente previsto da Breit e Wheeler“. 

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Questa è una scoperta davvero avvincente, con la prossima sfida che consiste nel rilevare il singolo processo fotone-fotone direttamente rompendo i fotoni insieme all’energia dei raggi gamma.