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A teoria de Breit e Wheeler sugeria transformar a luz em matéria através da colisão de fótons. Embora nunca esperassem que isso fosse demonstrado, novas pesquisas descrevem uma maneira prática de fazê-lo usando a tecnologia existente. Este colisor de fótons-fótons pode fornecer informações sobre os processos primitivos do universo e as explosões de raios gama, algumas das maiores explosões do universo e um grande mistério na física.
Cientistas de Colégio Imperial de Londres descobriram como criar matéria diretamente da luz usando a tecnologia que temos hoje.
Os físicos imperiais descobriram como criar matéria a partir da luz – um feito considerado impossível quando a ideia foi teorizada pela primeira vez, há 80 anos.
Em apenas um dia, tomando várias xícaras de café em um pequeno escritório do Laboratório de Física Blackett do Imperial, três físicos desenvolveram uma maneira relativamente simples de provar fisicamente uma teoria desenvolvida pela primeira vez pelos cientistas Breit e Wheeler em 1934.
Breit e Wheeler sugeriram que deveria ser possível transformar luz em matéria ao colidir apenas duas partículas de luz (fótons), para criar um elétron e um pósitron – o método mais simples de transformar luz em matéria já previsto. O cálculo foi considerado teoricamente correto, mas Breit e Wheeler disseram que nunca esperaram que alguém demonstrasse fisicamente sua previsão. Nunca foi observado em laboratório e experimentos anteriores para testá-lo exigiram a adição de partículas massivas de alta energia.
A nova pesquisa, publicada em Fotônica da Natureza, mostra pela primeira vez como a teoria de Breit e Wheeler poderia ser comprovada na prática. Esse 'fótonO “colisor de fotões”, que converteria a luz directamente em matéria utilizando tecnologia já disponível, seria um novo tipo de experiência de física de alta energia. Este experimento recriaria um processo que foi importante nos primeiros 100 segundos do universo e que também é visto nas explosões de raios gama, que são as maiores explosões do universo e um dos maiores mistérios não resolvidos da física.
Os cientistas estavam investigando problemas não relacionados na energia de fusão quando perceberam que o que estavam trabalhando poderia ser aplicado à teoria de Breit-Wheeler. A descoberta foi alcançada em colaboração com um colega físico teórico do Instituto Max Planck de Física Nuclear, que estava visitando Imperial.
A demonstração da teoria de Breit-Wheeler forneceria a peça final de um quebra-cabeça da física que descreve as maneiras mais simples pelas quais a luz e a matéria interagem (ver imagem). As outras seis peças desse quebra-cabeça, incluindo a teoria de Dirac de 1930 sobre a aniquilação de elétrons e pósitrons e a teoria de Einstein de 1905 sobre o efeito fotoelétrico, estão todas associadas à pesquisa ganhadora do Prêmio Nobel.
Teorias que descrevem as interações entre luz e matéria. Crédito: Oliver Pike, Imperial College Londres
O professor Steve Rose, do Departamento de Física do Imperial College London, disse: “Apesar de todos os físicos aceitarem a teoria como verdadeira, quando Breit e Wheeler propuseram a teoria pela primeira vez, eles disseram que nunca esperaram que ela fosse demonstrada em laboratório. Hoje, quase 80 anos depois, provamos que eles estavam errados. O que foi tão surpreendente para nós foi a descoberta de como podemos criar matéria diretamente a partir da luz, utilizando a tecnologia que temos hoje no Reino Unido. Como somos teóricos, estamos agora conversando com outras pessoas que podem usar as nossas ideias para empreender esta experiência marcante.”
O experimento do colisor proposto pelos cientistas envolve duas etapas principais. Primeiro, os cientistas usariam um laser extremamente poderoso e de alta intensidade para acelerar os elétrons até um pouco abaixo da velocidade da luz. Eles então disparariam esses elétrons em uma placa de ouro para criar um feixe de fótons um bilhão de vezes mais energético que a luz visível.
A próxima etapa do experimento envolve uma pequena lata de ouro chamada hohlraum (alemão para “quarto vazio”). Os cientistas disparariam um laser de alta energia na superfície interna desta lata de ouro, para criar um campo de radiação térmica, gerando luz semelhante à emitida pelas estrelas.
Eles então direcionariam o feixe de fótons do primeiro estágio do experimento através do centro da lata, fazendo com que os fótons das duas fontes colidissem e formassem elétrons e pósitrons. Seria então possível detectar a formação dos elétrons e pósitrons quando eles saíssem da lata.
O pesquisador principal Oliver Pike, que atualmente está concluindo seu doutorado em plasma física, disse: “Embora a teoria seja conceitualmente simples, tem sido muito difícil verificá-la experimentalmente. Conseguimos desenvolver a ideia do colisor muito rapidamente, mas o projeto experimental que propomos pode ser realizado com relativa facilidade e com a tecnologia existente. Poucas horas depois de procurarmos aplicações de hohlraums fora do seu papel tradicional na investigação de energia de fusão, ficámos surpresos ao descobrir que eles forneciam as condições perfeitas para a criação de um colisor de fotões. A corrida para realizar e completar o experimento começou!”
A pesquisa foi financiada pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), pelo Instituto John Adams para Ciência do Acelerador e pelo Estabelecimento de Armas Atômicas (AWE), e foi realizada em colaboração com o Max-Planck-Institut für Kernphysik.
Referência: “Um colisor de fótons-fótons em um vácuo hohlraum” por OJ Pike, F. Mackenroth, EG Hill e SJ Rose, 18 de maio de 2014, Fotônica da Natureza.
DOI: 10.1038/nphoton.2014.95