Um dos postulados da física quântica diz que a matéria pode surgir apenas com a ajuda da luz (fótons). Na prática, testar isso requer uma energia enorme e nunca foi testado em laboratório. Um grupo de cientistas dos EUA e do Japão encontrou condições sob as quais tal experimento se torna possível usando lasers modernos.
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Deve-se dizer que a síntese indireta da matéria a partir da energia luminosa foi realizada em laboratório mais de uma vez nos últimos dois ou três anos. Os cientistas aceleraram íons de ouro e outros metais pesados a velocidades relativísticas. Nessa velocidade, os íons foram cercados por nuvens de fótons, o que levou a colisões entre os fótons à medida que os íons metálicos se aproximavam. Essas colisões produziram partículas e antipartículas (geralmente elétrons e pósitrons). Em outras palavras, as interações fóton-fóton geraram matéria, que foi perfeitamente registrada por instrumentos científicos.
Repetir tal experiência apenas com raios laser – reproduzir a experiência pura da transição de energia em matéria – é elevar-se a outro nível de ciência. Um grupo de pesquisadores da Universidade de Osaka e da Universidade da Califórnia em San Diego explicou como fazer isso. Eles usaram simulações para demonstrar como a matéria poderia ser produzida experimentalmente inteiramente a partir da luz, o que poderia no futuro ajudar a testar teorias de longa data sobre a evolução do universo.
«Nossas simulações demonstram que, ao interagir com campos eletromagnéticos intensos de um laser, o plasma denso pode se auto-organizar para formar um colisor fóton-fóton”, explicou o Dr. Sugimoto, principal autor do estudo, publicado anteriormente na revista Physical Review Letters. “Este colisor contém uma densa população de raios gama que é dez vezes mais densa que a densidade de elétrons no plasma e tem um milhão de vezes a energia dos fótons no laser.”
Quando o fóton colide com o fóton no colisor, pares elétron-pósitron são formados e os pósitrons são acelerados pelo campo elétrico do plasma criado pelo laser. O resultado é um feixe de pósitrons.
«Esta é a primeira simulação da aceleração de pósitrons no âmbito do processo linear Breit-Wheeler sob condições relativísticas”, disse o professor Arefiev, coautor do estudo. “Acreditamos que nossa proposta é experimentalmente viável e esperamos implementá-la no mundo real.” O Dr. Vyacheslav Lukin, diretor de programas da Fundação Nacional de Ciência dos EUA, que apoiou o trabalho, acrescentou: “Esta investigação mostra uma forma potencial de explorar os mistérios do Universo em laboratório. As capacidades futuras dos sistemas laser de alta potência atuais e futuros tornaram-se ainda mais intrigantes.”
Física do processo. Fonte da imagem: Yasuhiko Sentoku
A essência do processo é que o plasma irradiado por lasers hoje disponíveis em estado próximo ao crítico é capaz de se auto-organizar e não apenas produzir pósitrons (e elétrons), mas também acelerá-los para energias ultra-relativísticas. O pulso de laser acumula elétrons em sua borda principal, criando um forte campo elétrico longitudinal no plasma. O campo cria um colisor gama em movimento (uma espécie de frente de onda onde ocorrem colisões de quanta gama), que gera pósitrons usando o processo linear de Breit-Wheeler – a aniquilação de dois quanta gama em um par elétron-pósitron. Ao mesmo tempo, o acelerador de pósitrons é um campo de plasma, e não um laser, como mostra a ilustração acima.
É a descoberta da aceleração de pósitrons que promete a oportunidade de criar uma instalação para a primeira conversão de energia pura em matéria. Para isso, será suficiente utilizar lasers disponíveis com intensidade de 1022 W/cm2. A simulação mostrou que o feixe de pósitrons adquiriria energia gigaelétron-volt com um ângulo de divergência de cerca de 10° com uma carga de 0,1 pC (106 elétrons por pulso). O que antes era considerado ficção científica se tornará realidade, mas não como nos filmes. É improvável que isso produza replicadores. Mas a confirmação do Modelo Padrão e, talvez, da nova física é uma recompensa digna pela descoberta.