Por primera vez se ha observado directamente la creación de materia a partir de la luz, y está generando un interesantísimo debate entre los científicos

Por primera vez se ha observado directamente la creación de materia a partir de la luz, y está generando un interesantísimo debate entre los científicos
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Esta historia comienza con la publicación en 1934 de un artículo científico en la revista Physical Review. Los físicos estadounidenses Gregory Breit y John A. Wheeler se inspiraron en la Teoría General de la Relatividad publicada por Einstein en 1915 y los trabajos dedicados a la antimateria publicados por Paul Dirac en 1928 para elaborar la descripción teórica de un fenómeno sorprendente: la creación de materia a partir de la luz.

El proceso Breit–Wheeler, que es como se conoce su predicción, describe la creación de un electrón y un positrón, que es su antipartícula, a partir de la colisión de dos partículas gamma, que no son otra cosa que fotones de alta energía. Estos fotones constituyen la radiación gamma, que es la más energética y la más penetrante de todas, por lo que es una forma de radiación ionizante.

Este fenómeno es una manifestación de la equivalencia entre materia y energía enunciada por Einstein, y aunque su formulación teórica está muy bien atada recrearlo en un laboratorio es extremadamente difícil. Durante las últimas décadas varios grupos de investigación muy reputados han llevado a cabo con cierto éxito experimentos que pretendían recrear el proceso Breit–Wheeler, y que han arrojado luz sobre algunos de sus mecanismos, pero la primera observación directa de este fenómeno acaba de producirse.

Un experimento notable que no está exento de cierta polémica

Hace unos días un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que está administrado por el Departamento de Energía de Estados Unidos, publicó un interesantísimo artículo en la revista Physical Review Letters en el que defiende haber llevado a cabo por primera vez la observación directa de la creación de un par electrón-positrón a partir de la colisión de dos haces de fotones de alta energía. Este es exactamente el mecanismo que describe el proceso Breit–Wheeler.

Para llevar a cabo su experimento los científicos de este laboratorio han utilizado el colisionador de iones pesados RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), que es el segundo acelerador de partículas más energético del planeta (solo lo supera el LHC del CERN), y el detector STAR (Solenoidal Tracker at RHIC). Podéis ver este último ingenio en la fotografía de portada de este artículo. Este colisionador utiliza unos campos electromagnéticos muy potentes para acelerar las partículas con carga hasta que alcancen una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz. La colisión se produce cuando han alcanzado este altísimo nivel de energía.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven aseguran que han conseguido recrear el proceso Breit–Wheeler, pero otros científicos, como el físico de partículas Lucian Harland-Lang de la Universidad de Oxford, lo ponen en tela de juicio por una razón: argumentan que los fotones que han participado en él no son reales. Son virtuales. Y están vinculados a los campos electromagnéticos utilizados por el colisionador para acelerar las partículas. De ser así la observación directa del mecanismo descrito por Breit y Wheeler quedaría en entredicho.

Las partículas virtuales son un tipo especial de partículas que se manifiestan como fluctuaciones cuánticas de la energía en un punto del espacio, perduran durante muy poco tiempo y tienen algunas de las características de las partículas ordinarias. Su principal peculiaridad reside en que su existencia está condicionada por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que no podemos conocer con precisión determinados pares de magnitudes físicas de una partícula.

El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que no podemos conocer con precisión determinados pares de magnitudes físicas de una partícula

Por ejemplo, a medida que se incrementa la precisión con la que estimamos su posición nos enfrentaremos a más incertidumbre al medir su momento. Y viceversa. Los científicos que critican este experimento argumentan que los fotones que han colisionado son virtuales porque están vinculados al campo electromagnético del colisionador. Sin embargo, los físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven aducen que se comportan como fotones reales. Y, por tanto, según ellos, son reales a todos los efectos.

Parece poco probable que se pongan de acuerdo, pero hay una forma de resolver este embrollo: diseñar este experimento de manera que la fuente de generación de los fotones de alta energía garantice que los fotones involucrados son reales. Una opción consiste en emplear un láser.

Más allá de la forma en que se resuelva este conflicto científico, que, como acabamos de ver, es muy interesante, sería una gran noticia que su resultado sea validado por un segundo experimento. Varios grupos de investigación están en ello, por lo que cabe la posibilidad de que no tengamos que esperar mucho para tener nuevas noticias del proceso Breit–Wheeler.

Imagen de portada | Z22

Vía | Science News

Más información | Physical Review Letters

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