Físicos detectam a evidência mais forte até agora de matéria gerada por colisões de luz

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Créditos: Sakkmesterke / iStock / Getty Images.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

De acordo com a teoria, se você esmagar dois fótons com força suficiente, poderá gerar matéria: um par elétron-pósitron, a conversão de luz em massa, de acordo com a teoria da relatividade especial de Einstein.

É chamado de processo de Breit-Wheeler, apresentado pela primeira vez por Gregory Breit e John A. Wheeler em 1934, e temos boas razões para acreditar que funcionaria.

Mas a observação direta do fenômeno puro envolvendo apenas dois fótons permaneceu ilusória, principalmente porque os fótons precisam ser extremamente energéticos (ou seja, raios gama) e ainda não temos a tecnologia para construir um laser de raios gama.

Agora, os físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven dizem que encontraram uma maneira de contornar este obstáculo usando o Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) – resultando em uma observação direta do processo de Breit-Wheeler em ação.

“Em seu estudo, Breit e Wheeler já perceberam que isso é quase impossível de fazer”, disse o físico Zhangbu Xu, do Laboratório de Brookhaven.

“Os lasers ainda nem existiam! Mas Breit e Wheeler propuseram uma alternativa: acelerar íons pesados. E a alternativa é exatamente o que estamos fazendo no RHIC”.

Mas o que os íons acelerados têm a ver com as colisões de fótons? Bem, podemos explicar.

O processo envolve, como o nome do colisor sugere, íons em aceleração – núcleos atômicos desprovidos de seus elétrons. Como os elétrons têm uma carga negativa e os prótons (dentro do núcleo), uma positiva, a separação deixa o núcleo com uma carga positiva. Quanto mais pesado o elemento, mais prótons ele possui e mais forte é a carga positiva do íon resultante.

A equipe usou íons de ouro, que contêm 79 prótons, e uma carga poderosa. Quando os íons de ouro são acelerados a velocidades muito altas, eles geram um campo magnético circular que pode ser tão poderoso quanto o campo elétrico perpendicular no colisor. Onde eles se cruzam, esses campos iguais podem produzir partículas eletromagnéticas ou fótons.

“Então, quando os íons estão se movendo perto da velocidade da luz, há um monte de fótons ao redor do núcleo de ouro, viajando com ele como uma nuvem”, explicou Xu.

No RHIC, os íons são acelerados a velocidades relativísticas – aquelas que representam uma porcentagem significativa da velocidade da luz. Neste experimento, os íons de ouro foram acelerados a 99,995 por cento da velocidade da luz.

É aqui que a mágica acontece: quando dois íons passam raspando um pelo outro, suas duas nuvens de fótons podem interagir e colidir. As colisões em si não podem ser detectadas, mas os pares elétron-pósitron resultantes sim.

No entanto, também não é suficiente apenas detectar um par elétron-pósitron.

Diagrama mostrando como a quase colisão de íons de ouro produz colisões de fótons. Crédito: Laboratório de Brookhaven.

Isso ocorre porque os fótons produzidos pela interação eletromagnética são fótons virtuais, surgindo e desaparecendo brevemente e sem a mesma massa de suas contrapartes “reais”.

Para ser um verdadeiro processo de Breit-Wheeler, dois fótons reais precisam colidir – não dois fótons virtuais, nem um fóton virtual e um real.

Nas velocidades relativísticas dos íons, as partículas virtuais podem se comportar como fótons reais. Felizmente, há uma maneira dos físicos saberem quais pares elétron-pósitron são gerados pelo processo de Breit-Wheeler: os ângulos entre o elétron e o pósitron no par gerado pela colisão.

Cada tipo de colisão – virtual-virtual, virtual-real e real-real – pode ser identificada com base no ângulo entre as duas partículas produzidas. Assim, os pesquisadores detectaram e analisaram os ângulos de mais de 6.000 pares elétron-pósitron gerados durante o experimento.

Eles descobriram que os ângulos eram consistentes com as colisões entre fótons reais – o processo de Breit-Wheeler em ação.

“Também analisamos toda a energia, distribuição de massa e números quânticos dos sistemas. Eles são consistentes com os cálculos da teoria para o que aconteceria com fótons reais”, disse o físico Daniel Brandenburg, do Laboratório de Brookhaven.

“Nossos resultados fornecem evidências claras da criação direta, em uma etapa, de pares matéria-antimatéria a partir de colisões de luz, conforme originalmente previsto por Breit e Wheeler”.

Pode-se argumentar de forma bastante razoável que não teremos uma primeira detecção direta do processo de Breit-Wheeler de um único fóton-fóton até que colidamos os fótons que se aproximam da energia dos raios gama.

No entanto, o trabalho da equipe é altamente atraente – no mínimo, mostra que estamos no caminho certo com Breit e Wheeler.

Continuaremos a observar este progresso, avidamente.

A pesquisa foi publicada na Physical Review Letters.