Generar materia y antimateria a partir del vacío

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Materia-antimateriaBajo las condiciones adecuadas – que implican un haz láser de intensidad ultra-alta y un acelerador de partículas de 3 kilómetros de largo – podría ser posible crear algo a partir de nada, de acuerdo con investigadores de la Universidad de Michigan.

Científicos e ingenieros han desarrollado nuevas ecuaciones que demuestran que un haz de electrones de alta-energía con un intenso pulso láser podría desmembrar un vacío en sus dos componentes fundamentales, materia y antimateria, y disparar una cascada de eventos que genere pares adicionales de partículas y antipartículas.

“Ahora podemos calcular cómo, a partir de un único electrón, pueden generarse varios cientos de partículas. Creemos que esto sucede en la naturaleza cerca de los púlsares y estrellas de neutrones”, comenta Igor Sokolov, científico investigador en ingeniería que llevó a cabo esta investigación junto con el científico investigador asociado John Nees, el profesor de emérito de ingeniería eléctrica Gerard Mourou y sus colegas en Francia.

En el corazón de este trabajo está la idea de que el vacío no es exactamente nada.

“Es mejor decir, como el físico teórico Paul Dirac, que un vacío, o nada, es la combinación de materia y antimateria – partículas y antipartículas. Su densidad es tremenda, pero no podemos percibirla debido a que los efectos observables se cancelan completamente entre sí”, señala Sokolov.

La materia y la antimateria se destruyen entre sí cuando se entran en contacto bajo condiciones normales.

“Pero en un potente campo electromagnético, esta aniquilación, que es normalmente un mecanismo de desagüe, puede ser la fuente de nuevas partículas”, comenta Nees. “En el curso de la aniquilación, aparecen fotones gamma, los cuales pueden producir electrones y positrones adicionales”.

Un fotón gamma es una partícula de luz de alta energía. Un positrón es un anti-electrón, una partícula espejo con las mismas propiedades que un electrón, pero una carga opuesta, la positiva.

Los investigadores describen este trabajo como un avance teórico, y “un salto cualitativo en la teoría”.

Un experimento a finales de la década de 1990 logró generar fotones gamma a partir de un vacío, y ocasionalmente un par electrón-positrón. Estas nuevas ecuaciones llevan este trabajo un paso más adelante para modelar cómo un potente campo láser podría promover la creación de más partículas de las que inicialmente se inyectaron en un experimento a través de un acelerador de partículas.

“Si un electrón tiene la capacidad de convertirse en tres partículas en un corto periodo de tiempo, esto significa que no sigue siendo un electrón”, comenta Sokolov. “La teoría del electrón está basada en el hecho de que siempre será un electrón. Pero en nuestro cálculos, cada una de las partículas cargadas se convierte en una combinación de tres partículas más un número de fotones”.

Los investigadores han desarrollado una herramienta para poner sus ecuaciones en práctica en el futuro a muy pequeña escala, usando el láser HERCULES de la Universidad de Michigan. Para probar todo el potencial de su teoría, tendría que construirse un láser del tipo HERCULES en un acelerador de partículas como el del Laboratorio del Acelerador Nacinal SLAC en la Universidad de Stanford. Tal infraestructura no está actualmente planificada.

Este trabajo podría, potencialmente, tener aplicaciones en la fusión por confinamiento inercial, la cual podría producir una energía más limpia a partir de las reacciones nucleares de fusión, dicen los investigadores.

Para Sokolov, es fascinante desde una perspectiva filosófica.

“La cuestión básica de qué es un vacío, y qué no es, va más allá de la ciencia”, comenta. “Está profundamente incrustada en la base no sólo de la física teórica, sino de nuestra percepción filosófica de todo – de la realidad, de la vida e incluso de la cuestión religiosa de cómo podría el universo haber aparecido de la nada”.

Un artículo sobre este trabajo, “Pair Creation in QED-Strong Pulsed Laser Fields Interacting with Electron Beams” se publica en la revista Physical Review Letters.


Fecha Original: 8 de diciembre de 2010
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