En la universidad donde trabajo (UABC, en Mexicali,
México) imparto clases de Óptica y Acústica. Cada vez que revisamos el tema
sobre la naturaleza de la luz disfruto en sobremanera hablar a mis alumnos
sobre el lugar que ocupa la luz visible en el espectro electromagnético. La luz
la estudiamos como una sucesión de ondas eléctricas y magnéticas alternantes
que se van generando mutuamente ad
infinitum a 3 X 108 m/s en el vacío. Conforme se incrementa la
frecuencia (o disminuye la longitud de onda) la energía de las ondas
electromagnéticas aumenta hasta llegar a la radiación más energética del
universo: los rayos gamma. En un sentido opuesto, si la frecuencia disminuye a
partir de esta radiación, se obtienen rayos X, después rayos UV de alta
energía, hasta llegar a la radiación no ionizante: UV de baja energía, luz
visible, radiación infrarroja, microondas, ondas de radio, entre otras. Por
otra parte, además de un comportamiento ondulatorio, la radiación
electromagnética tiene un comportamiento corpuscular: su unidad fundamental es
el fotón. Se pueden tener fotones gamma mil millones de veces más energéticos
que los fotones de luz visible, por ejemplo, y billones de veces más
energéticos que los fotones de microondas.
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| Espectro electromagnético. |
Hace un par de años numerosos medios de comunicación anunciaron la conversión de luz en materia basándose en el trabajo de los
investigadores Steven J. Rose, F. Mackenroth, E. G. Hill y Oliver Pike del
Imperial College de Londres. Los científicos propusieron un modelo teórico que
permite obtener materia mediante la colisión de fotones gamma. Nuestra
experiencia diaria (corroborada por la ciencia) nos indica que la luz “no pesa”, es decir,
que los fotones de luz no tienen masa; sin embargo, tienen energía. Lo que los
científicos formularon fue una manera de convertir la energía de los fotones en
materia. Y claro, para realizar esto ¿qué mejor que partir de unos fotones
inmensamente energéticos como los gamma?
Electrones y positrones
En la tercera década del siglo pasado ya habían sido
descubiertas las partículas constituyentes del átomo: protón, neutrón y
electrón. Las dos primeras partículas conforman el núcleo atómico. Ambas poseen
masas similares y cargas eléctricas positiva y neutra, respectivamente. El
electrón se encuentra confinado alrededor del núcleo con una masa casi mil
veces menor y con una carga negativa de la misma magnitud que la del protón, lo
cual permite que los átomos puedan ser eléctricamente neutros al tener el mismo
número de electrones y protones. En este mismo periodo, el científico británico
Paul Dirac predijo la existencia del positrón: partícula con la misma masa del
electrón pero con carga eléctrica positiva. Esta partícula fue detectada por el
físico estadounidense Carl D. Anderson al fotografiar huellas de rayos cósmicos
en una cámara de niebla. En la actualidad se sabe que el positrón es la
anti-partícula del electrón (también existe el antiprotón y por tanto, la
antimateria: imagine un positrón alrededor de un antiprotón).
Cuando un electrón y un positrón se encuentran, se
aniquilan, produciendo dos fotones gamma con la energía equivalente a sus masas
en reposo. Recordemos la célebre ecuación de Albert Einstein: E=moc2,
donde E es la energía, mo la
masa en reposo y c la velocidad de la luz (3 X 108 m/s), que nos
muestra la equivalencia entre la masa y la energía.
Por el mismo tiempo en el que nos hemos situado,
específicamente en 1934, los científicos Gregory Breit y John A. Wheeler
propusieron un camino inverso al de la aniquilación: obtener un par
electrón/positrón a partir de la “colisión” de dos fotones gamma. A pesar de su
aparente simpleza no se cuenta aún con la tecnología suficiente para
corroborarlo experimentalmente, más bien se sigue trabajando en modelos, como
el propuesto por Oliver Pike y colaboradores, que permitirán, tarde o temprano,
obtener la anhelada evidencia.
El colisionador de fotones
La propuesta de los investigadores del Imperial College
de Londres se basa precisamente en la producción de pares electrón/positrón
mediante el proceso Breit-Wheeler. El colisionador de fotones que ellos
diseñaron consiste de un acelerador de electrones (capaz de otorgar a estas
partículas velocidades cercanas a la de la luz); de una placa de oro; un “hohlraum”
(cavidad en alemán) que es un cilindro hueco que se calienta mediante un láser;
generadores de campo magnético, y un sistema de detección de electrones y
positrones.
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| Colisionador de fotones. |
El funcionamiento básico del colisionador es como sigue: los
electrones acelerados en vacío chocan perpendicularmente con la placa de oro,
su desaceleración produce fotones gamma del otro lado de la placa gracias al efecto
“bremsstrahlung” o “radiación de frenado” (los electrones se desvían y frenan debido
a la atracción electrostática de los núcleos de oro; en esta desaceleración se
pierde energía cinética, pero como la ley de la conservación de la energía nos
dice que la energía no se crea ni destruye sino sólo se transforma, la energía
que se “pierde” se transforma en fotones gamma). Debido a las colisiones se
liberan electrones y positrones que se desvían (mediante un campo magnético) para
impedir que acompañen a los fotones hacia el hohlraum. Aquí, el cilindro tiene
la energía térmica suficiente para ocasionar colisiones fotón-fotón y producir pares
electrón-positrón. Finalmente, estas partículas y sus antipartículas se desvían
con otro campo magnético al salir del hohlraum para su detección y cuantificación.
La simulación de los experimentos (basados en numerosos y sofisticados
cálculos realizados en supercomputadoras) permitió a los investigadores estimar
las características óptimas de cada componente del colisionador. En su
artículo, publicado en Nature Photonics, mencionan que el colisionador también
podría utilizarse para estudiar la dispersión elástica fotón-fotón, las
resonancias de quarks (componentes de protones, neutrones y otras partículas)
y, con una mayor energía, podría ser posible producir estados hadrónicos
finales (partículas constituidas por quarks).
De momento, el investigador Oliver Pike y su equipo, espera que un grupo
de científicos experimentales pueda ensamblar físicamente el colisionador y así
corroborar experimentalmente el proceso Breit-Wheeler.
Fuente:
O. J. Pike, et al. A
photon-photon collider in a vacuum hohlraum. Nature Photonics (1-3) May 2014 (DOI:10.1038/NPHOTON.2014.95)
