Un team guidato da ricercatori dell’Università di Osaka e della UC di San Diego ha utilizzato simulazioni per dimostrare come si possa produrre sperimentalmente materia esclusivamente dalla luce, il che in futuro potrebbe aiutare a testare teorie di vecchia data sulla composizione dell’universo.
Una delle previsioni più sorprendenti della fisica quantistica è che la materia può essere generata esclusivamente dalla luce (cioè dai fotoni), e in effetti i corpi astronomici conosciuti come pulsar riescono a raggiungere questo obiettivo. Generare direttamente la materia in questo modo non è stato realizzato in laboratorio, ma consentirebbe di testare ulteriormente le teorie della fisica quantistica di base e la composizione fondamentale dell’universo.
In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, un team guidato da ricercatori dell’Università di Osaka ha simulato condizioni che consentono collisioni fotone-fotone, esclusivamente utilizzando i laser. La semplicità della configurazione e la facilità di implementazione alle intensità laser attualmente disponibili lo rendono un candidato promettente per l’implementazione sperimentale nel prossimo futuro.
Si teorizza che la collisione fotone-fotone sia un mezzo fondamentale attraverso il quale la materia viene generata nell’universo e deriva dalla nota equazione di Einstein E = mc2. In effetti, i ricercatori hanno prodotto indirettamente materia dalla luce: mediante l’accelerazione ad alta velocità di ioni metallici come l’oro l’uno nell’altro. A velocità così elevate, ogni ione è circondato da fotoni e, sfiorandosi l’uno con l’altro, vengono prodotte materia e antimateria.
Tuttavia, è difficile produrre la materia sperimentalmente nei moderni laboratori attraverso il solo uso della luce laser a causa dei laser estremamente potenti richiesti. Simulare come questa impresa potrebbe essere realizzata in un laboratorio potrebbe portare a una svolta sperimentale, quindi questo è ciò che i ricercatori si sono proposti di fare.
“Le nostre simulazioni dimostrano che, quando interagisce con gli intensi campi elettromagnetici del laser, il plasma denso può auto-organizzarsi per formare un collisore fotone-fotone”, ha spiegato il dottor Sugimoto, autore principale dello studio. “Questo collisore contiene una densa popolazione di raggi gamma, dieci volte più densa della densità degli elettroni nel plasma e la cui energia è un milione di volte maggiore dell’energia dei fotoni nel laser”, ha aggiunto.
Le collisioni fotone-fotone nel collisore producono coppie elettrone-positrone e i positroni vengono accelerati da un campo elettrico al plasma creato dal laser. Ciò si traduce in un fascio di positroni.
“Questa è la prima simulazione dell’accelerazione dei positroni dal processo lineare Breit-Wheeler in condizioni relativistiche”, ha affermato il professor Arefiev, coautore dell’UCSD. “Riteniamo che la nostra proposta sia fattibile a livello sperimentale e non vediamo l’ora di implementarla nel mondo reale”.
Il dottor Vyacheslav Lukin, direttore del programma presso la US National Science Foundation che ha sostenuto il lavoro, ha dichiarato: “Questa ricerca mostra un potenziale modo per esplorare i misteri dell’universo in un ambiente di laboratorio. Le possibilità future degli impianti laser ad alta potenza di oggi e di domani sono diventate ancora più intriganti”.
Le applicazioni di questo lavoro alla tecnologia immaginaria di conversione materia-energia di Star Trek rimangono proprio questo: finzione. Tuttavia, questo lavoro ha il potenziale per aiutare a confermare sperimentalmente le teorie sulla composizione dell’universo, o forse anche per aiutare a scoprire la fisica precedentemente sconosciuta.
Fonte: Physical Review Letters
Materia creata da collisioni di fotoni
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.
Già nel 2021 i fisici avevano 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 articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
Si è trattato di una scoperta sostanziale, costruita su un muro teorico che solo decenni fa sembrava insormontabile. Ed ora c’èla conferma.
