Físicos descobriram como poderíamos fazer antimatéria com a luz

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Imagem mostrando lasers de contra-propagação de alta intensidade produzindo radiação gama. Crédito: Toma Toncian.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Um novo estudo feito por cientistas demonstrou como os pesquisadores podem ser capazes de criar um jato acelerado de antimatéria a partir da luz.

Uma equipe de físicos mostrou que lasers de alta intensidade podem ser usados ​​para gerar fótons gama em colisão – os comprimentos de onda de luz mais energéticos – para produzir pares elétron-pósitron. Isso, dizem eles, pode nos ajudar a entender os ambientes em torno de alguns dos objetos mais extremos do Universo: as estrelas de nêutrons.

O processo de criação de um par de partículas matéria-antimatéria – um elétron e um pósitron – a partir dos fótons é chamado de processo de Breit-Wheeler e é extremamente difícil de ser obtido experimentalmente.

A probabilidade de ocorrer quando dois fótons colidem é muito pequena. Você precisa de fótons de energia muito alta, ou raios gama, e muitos deles, para maximizar as chances de observação.

Ainda não temos a capacidade de construir um laser de raios gama, então o processo de Breit-Wheeler de fóton-fóton atualmente permanece experimentalmente não alcançado. Mas uma equipe de físicos liderada por Yutong He, da Universidade da Califórnia, San Diego (UC San Diego), nos EUA, propôs uma nova solução alternativa que, de acordo com suas simulações, poderia realmente funcionar.

Consiste em um bloco de plástico, esculpido com um padrão de canais que se cruzam na escala de micrômetro. Dois lasers poderosos, um de cada lado do bloco, disparam fortes pulsos neste alvo.

“Quando os pulsos de laser penetram na amostra, cada um deles acelera uma nuvem de elétrons extremamente rápidos”, disse o físico Toma Toncian, do laboratório de pesquisa Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, na Alemanha.

“Essas duas nuvens de elétrons então correm uma em direção à outra com força total, interagindo com o laser que se propaga na direção oposta”.

A colisão resultante é tão energética que produz uma nuvem de fótons gama. Esses fótons gama devem colidir uns com os outros para produzir pares elétron-pósitron, disseram os pesquisadores, de acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein.

Ainda mais estimulante, esse processo deve gerar campos magnéticos poderosos que colimam os pósitrons (em vez dos elétrons) em feixes em forma de jato fortemente acelerados. A uma distância de apenas 50 micrômetros, descobriram os pesquisadores, a aceleração deve aumentar a energia das partículas para um giga elétron-volt.

Usando uma simulação de computador complexa, os pesquisadores testaram seu modelo e descobriram que ele deve funcionar, mesmo usando lasers menos potentes do que as propostas anteriores.

Não apenas a colimação e a aceleração do feixe de pósitrons melhorariam a taxa de detecção das partículas, mas ele carrega uma forte semelhança com os poderosos jatos de partículas colimadas emitidos por estrelas de nêutrons fortemente magnéticas e que giram rapidamente conhecidas como pulsares.

Os cientistas acreditam que processos que ocorrem perto dessas estrelas podem resultar em nuvens de radiação gama, semelhante ao experimento proposto.

“Esses processos, entre outros, provavelmente ocorrem na magnetosfera dos pulsares”, disse o físico Alexey Arefiev, da Universidade da Califórnia em San Diego.

“Com nosso novo conceito, tais fenômenos poderiam ser simulados em laboratório, pelo menos até certo ponto, o que nos permitiria entendê-los melhor”.

Os testes preliminares nas instalações europeias de laser de raios X da XFEL devem revelar se um campo magnético é gerado ou não, conforme previsto pelas simulações.

Em última análise, a equipe espera que seu experimento possa ser realizado na recém-inaugurada e altamente avançada instalação de Física Nuclear da Extreme Light Infrastructure na Romênia, que tem dois poderosos lasers de pulso curto e feixes de raios gama.

O estudo foi publicado na Communications Physics.