Faça-se a matéria: Matéria pode ser criada do nada com colisões fóton-fóton

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/08/2023

Colisor de fótons auto-organizado acionado por um intenso pulso de laser: (a) densidade do plasma, (b) canal magnético, (c) distribuição angular dos fótons emitidos.
[Imagem: K. Sugimoto et al. - 10.1103/PhysRevLett.131.065102]

Colisões entre fótons

Uma das previsões mais impressionantes da física quântica, e hoje comprovada por inúmeros experimentos, é que a matéria pode ser gerada apenas do chamado vácuo quântico, que é a coisa mais próxima que um físico consegue imaginar daquilo que comumente chamamos de "nada".

De fato, inúmeros experimentos já demonstraram que a matéria é resultado das flutuações do vácuo quântico que, em vez de ser um "nada", é um estado com a menor energia possível, uma espécie de sopa de campos e ondas de todas as frequências, de onde partículas virtuais saltam continuamente entre a existência e a inexistência.

O truque está em você arremessar alguma coisa com a velocidade e a precisão necessárias para acertar as partículas virtuais e trazê-las para o nosso mundo, antes que elas desapareçam de novo no vácuo quântico. A grande dificuldade - e o grande interesse dos físicos - está em fazer isto usando apenas fótons, que são as partículas de luz, similares ao que se acredita ser as partículas virtuais do vácuo quântico.

Agora, pesquisadores da Universidade de Osaka, no Japão, idealizaram um experimento muito mais simples do que qualquer outro já pensado, que será muito mais fácil de implementar porque poderá gerar colisões fóton-fóton usando apenas lasers.

A simplicidade da configuração e a facilidade de implementação - o esquema opera com as intensidades de laser atualmente disponíveis - tornam a proposta promissora para implementação experimental em um futuro próximo.

O projeto do colisor de fótons está pronto. Agora é construí-lo.
[Imagem: K. Sugimoto et al. - 10.1103/PhysRevLett.131.065102]

Geração de matéria por colisões de fótons

As teorias afirmam que as colisões fóton-fóton representam um meio fundamental pelo qual a matéria é gerada no Universo - essa noção da interconversão entre matéria e energia emerge da conhecida equação de Einstein, E=mc².

Os físicos já produziram matéria indiretamente a partir da luz, acelerando íons metálicos, como o ouro, até altas velocidades e fazendo chocar-se uns nos outros. Em velocidades próximas à da luz, cada íon é cercado por fótons, que produzem matéria e antimatéria quando esses fótons carreados pelos íons se chocam.

No entanto, continua em aberto o desafio de produzir matéria experimentalmente em laboratório usando exclusivamente a luz porque isso exigiria lasers de potência extremamente alta, que ainda não existem. É esse desafio que a equipe japonesa agora resolveu.

"Nossas simulações demonstram que, ao interagir com os intensos campos eletromagnéticos do laser, o plasma denso pode se auto-organizar para formar um colisor de fótons," explica o professor Kaoru Sugimoto. "Este colisor contém uma população densa de raios gama, dez vezes mais densa que a densidade de elétrons no plasma e cuja energia é um milhão de vezes maior que a energia dos fótons no laser."

As colisões fóton-fóton no colisor produzem pares elétron-pósitron, e os pósitrons (equivalentes de antimatéria dos elétrons) são acelerados por um campo elétrico de plasma criado pelo laser. Isso resulta em um feixe de pósitrons, um feixe de antimatéria, que poderá ser usado tanto para gerar matéria a partir do vácuo quântico, em uma demonstração definitiva da própria natureza da nossa realidade, quanto para qualquer experimento exigindo esse tipo de energia.

"Esta é a primeira simulação de aceleração de pósitrons do processo linear Breit-Wheeler sob condições relativísticas," disse o professor Alexey Arefiev, coautor do trabalho. "Sentimos que nossa proposta é experimentalmente viável e esperamos uma implementação no mundo real."

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