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Cuando un electrón en reposo se aniquila con su homólogo de antimateria, un positrón, el proceso da lugar a la emisión de dos fotones.
En 1934, los físicos Gregory Breit y John A. Wheeler estudiaron la teoría del proceso inverso de "colisión de dos cuantos de luz" para crear pares electrón-positrón.
En su estudio original, los investigadores se dieron cuenta de la casi imposibilidad de lograr colisiones de rayos gamma en los experimentos existentes en la Tierra y propusieron un enfoque alternativo con colisiones de fotones originadas por núcleos altamente cargados que se cruzan a velocidades ultrarrelativistas.
"En su artículo, Breit y Wheeler ya se dieron cuenta de que esto es casi imposible de hacer", dijo el Dr. Zhangbu Xu, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE y miembro de la Colaboración STAR.
"¡Los láseres ni siquiera existían todavía! Pero Breit y Wheeler propusieron una alternativa: acelerar iones pesados. Y su alternativa es exactamente lo que estamos haciendo en el RHIC".
Un ion de oro, con 79 protones, lleva una potente carga positiva. La aceleración de un ion pesado cargado de este tipo a velocidades muy altas genera un potente campo magnético que gira en espiral alrededor de la partícula que se desplaza a gran velocidad, como la corriente que fluye por un cable.
"Si la velocidad es lo suficientemente alta, la fuerza del campo magnético circular puede ser igual a la fuerza del campo eléctrico perpendicular", dijo el Dr. Xu.
"Y esa disposición de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares de igual intensidad es exactamente lo que es un fotón, una partícula de luz cuantizada".
"Así que, cuando los iones se mueven cerca de la velocidad de la luz, hay un montón de fotones que rodean el núcleo de oro, viajando con él como una nube".
En el RHIC, los científicos aceleran los iones de oro (Au) hasta el 99,995% de la velocidad de la luz en dos anillos del acelerador.
"Tenemos dos nubes de fotones que se mueven en direcciones opuestas con la suficiente energía e intensidad como para que, cuando los dos iones pasen uno al lado del otro sin colisionar, esos campos de fotones puedan interactuar", dijo el Dr. Xu.
El equipo de STAR observó un total de 6.085 pares exclusivos de electrones y positrones en colisiones Au+Au en el RHIC.
"Nuestros resultados proporcionan una clara evidencia de la creación directa, en un solo paso, de pares de materia-antimateria a partir de colisiones de luz, como predijeron originalmente Breit y Wheeler", dijo el Dr. Daniel Brandenburg, físico del Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE y miembro de la colaboración STAR.
La capacidad de STAR para medir las minúsculas desviaciones de electrones y positrones que se producen casi consecutivamente en estos eventos también proporcionó a los físicos una forma de estudiar cómo las partículas de luz interactúan con los potentes campos magnéticos generados por los iones acelerados.
"La nube de fotones que rodea a los iones de oro en uno de los haces del RHIC sale disparada hacia el fuerte campo magnético circular producido por los iones acelerados en el otro haz de oro", explica el Dr. Chi Yang, físico de la Universidad de Shandong y miembro de la Colaboración STAR.
"Observar la distribución de las partículas que salen nos indica cómo interactúa la luz polarizada con el campo magnético".
Los físicos alemanes Werner Heisenberg y Hans Heinrich Euler, en 1936, y el físico estadounidense John Toll, en la década de 1950, predijeron que un vacío del espacio vacío podía ser polarizado por un potente campo magnético y que dicho vacío polarizado debería desviar las trayectorias de los fotones dependiendo de la polarización de los mismos.
Toll también detalló cómo la absorción de la luz por un campo magnético depende de la polarización y su conexión con el índice de refracción de la luz en el vacío.
En el RHIC, los autores midieron cómo la polarización de la luz afectaba a si la luz era "absorbida" por el campo magnético.
"Esto es similar a la forma en que las gafas de sol polarizadas bloquean el paso de ciertos rayos si no coinciden con la polarización de las lentes", dijo el Dr. Yang.
"Cuando observamos los productos producidos por las interacciones fotón-fotón en el RHIC, vemos que la distribución angular de los productos depende del ángulo de la polarización de la luz".
"Esto indica que la absorción (o el paso) de la luz depende de su polarización".
"Esta es la primera observación experimental en la Tierra de que la polarización afecta a las interacciones de la luz con el campo magnético en el vacío - la birrefringencia del vacío predicha en 1936".
Fuentes, créditos y referencias:
Imágen: Dos iones de oro (rojo) se mueven en dirección opuesta a un 99,995% de la velocidad de la luz (v, por velocidad, = aproximadamente c, la velocidad de la luz). Cuando los iones pasan uno al lado del otro sin colisionar, dos fotones (γ) de la nube electromagnética que rodea a los iones pueden interactuar entre sí para crear un par materia-antimateria: un electrón (e-) y un positrón (e+). Crédito de la imagen: Brookhaven National Laboratory.
Fuente: Measurement of e+e− Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions. Phys. Rev. Lett 127, 052302; doi: 10.1103/PhysRevLett.127.052302