Experimentos en marcha para convertir la luz en materia

La cámara de destino, donde se enfocan los rayos láser. Crédito: Imperial College London

En las instalaciones de láser en el Reino Unido, los físicos imperiales están probando una teoría de 84 años de antigüedad que una vez se pensó imposible de probar.

La teoría del proceso de Breit-Wheeler dice que debería ser posible convertir la luz en materia rompiendo dos partículas de luz (fotones) juntas para crear un electrón y un positrón. Sin embargo, los intentos anteriores de hacer esto han requerido la adición de otras partículas de alta energía.

Físicos del Imperial College de Londres, dirigidos por el profesor Steven Rose, encontraron una forma de probar la teoría que no se basaba en estos extras añadidos en 2014, y hoy se está ejecutando un experimento con la esperanza de convertir la luz directamente en materia por primera vez.

El profesor Rose dijo: "Esto sería una demostración pura de la famosa ecuación de Einstein que relaciona energía y masa: E=mc2, que nos dice cuánta energía se produce cuando la materia se convierte en energía. Lo que estamos haciendo es lo mismo pero al revés: convertir la energía de los fotones en masa, es decir.m=E/c2."

El sistema consiste en dos rayos láser de alta potencia, que se están utilizando para crear los fotones de luz que se romperán juntos. Uno de los fotones tiene unas 1000 veces la energía de los fotones que producen luz visible, y el otro tiene 1.000.000.000 de veces la energía.
La cámara de destino, con óptica utilizada para enfocar los haces. Crédito: Imperial College London

Los rayos láser se enfocan en dos objetivos diminutos separados dentro de una cámara de destino, que contiene óptica compleja utilizada para enfocar los rayos láser y los imanes utilizados para desviar las partículas cargadas. Son los positrones cargados que salen de la colisión los que el equipo buscará para confirmar si el proceso fue un éxito.

El equipo, dirigido por el Dr. Stuart Mangles y el Profesor Rose, buscó en todo el mundo un sistema láser adecuado, pero encontró el más adecuado cerca de casa: el láser Gemini en la Instalación Central de Láser del Laboratorio Stfc Rutherford Appleton, cerca de Oxford.

Si tienen éxito, detectarán positrones, pero tendrán que llevar a cabo un análisis cuidadoso de los datos antes de que se pueda confirmar que esos positrones se originan en el proceso breit-wheeler y no en otros procesos de fondo, lo que demuestra el éxito de convertir la luz en materia.

El Dr. Mangles dijo: "Cuando Gregory Breit y John Wheeler propusieron por primera vez el mecanismo en 1934, utilizaron la entonces nueva teoría de la interacción entre la luz y la materia conocida como electrodinámica cuántica (QED). Mientras que todas las demás predicciones fundamentales de QED se han demostrado experimentalmente desde entonces, el "proceso de Breit-Wheeler de dosfotones" nunca se ha visto.
Crédito: Imperial College London

"Si podemos demostrarlo ahora, estaríamos recreando un proceso que fue importante en los primeros 100 segundos del universo y que también se ve en los estallidos de rayos gamma, que son las explosiones más grandes del universo y uno de los mayores misterios sin resolver de la física".

Algunos de los detectores que utilizará el equipo provienen del CERN, y el equipo espera utilizar una red de estudiantes de escuelas para ayudarles a analizar los datos a través del Instituto de Investigación en Las Escuelas, del que la profesora Rose fue una de las fundadoras.