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Matéria e antimatéria podem ser criadas com laser

Matéria e antimatéria podem ser criadas com laser
O pulso de laser se propaga ao longo do eixo X, enquanto a superfície da folha metálica fica na perpendicular.[Imagem: Kostyukov/Nerush/IAP RAS]

Faça-se a matéria

A interação entre a luz e a matéria está na base de inúmeras tecnologias, das células solares à plasmônica e à spintrônica, sem falar de todas aquelas que levam o termo "quântico" no nome, como a computação quântica.

Mas quando a luz atinge intensidades muito elevadas, sobretudo na forma de lasers de alta potência, as coisas começam a ficar deveras interessantes - para dizer o mínimo.

Igor Kostyukov e Evgeny Nerush, da Academia Russa de Ciências, acabam de publicar um artigo explicando como produzir elétrons e pósitrons a partir de interações laser-matéria em intensidades ultrafortes.

Em outras palavras, eles calcularam como fazer para criar matéria e antimatéria usando lasers.

Não parece de todo estranho para quem está acostumado com a criação de matéria a partir do vácuo quântico, mas agora os dois físicos não estão falando apenas de fótons, mas de elétrons e pósitrons, as antipartículas dos elétrons.

Produção de matéria e antimatéria do "nada"

O conceito fundamental por trás desses experimentos aparentemente bizarros é fornecido por uma área da física conhecida como eletrodinâmica quântica, que explica como um forte campo elétrico pode fazer o vácuo quântico "ferver" - como o vácuo quântico é tudo, menos vazio, as partículas virtuais que existem nele saltam para a "realidade", onde podem ser capturadas.

"O campo [elétrico] pode converter esses tipos de partículas de um estado virtual, no qual as partículas não são diretamente observáveis, para um estado real," explicou Kostyukov.

A coisa deverá funcionar da seguinte forma: o forte campo elétrico injetado pelo laser causará grandes perdas de radiação pelos elétrons de uma placa metálica que servirá como alvo porque uma quantidade significativa da sua energia será convertida em raios gama - fótons de alta energia, que são as partículas que formam a luz. Os fótons de alta energia produzidos nesse processo vão interagir com o campo do laser e criar pares de elétrons e pósitrons.

Como resultado, emerge um novo estado da matéria: partículas fortemente interativas, campos ópticos e radiação gama, uma mistura cuja dinâmica é regida pela interação entre fenômenos da física clássica e processos quânticos.

Matéria e antimatéria podem ser criadas com laser
Distribuição dos elétrons (verde) e dos pósitrons (vermelho) produzidos pela cascata eletrodinâmica quântica. [Imagem: Kostyukov/Nerush/IAP RAS]

Cascata quântica

Embora vários experimentos de laboratório já tenham comprovado que a geração de luz e matéria a partir do vácuo funciona de fato, a nova teoria - que ainda não está completa - depende de um fenômeno diferente, conhecido como "cascata eletrodinâmica quântica", uma espécie de reação autossustentada. Além de não ser totalmente compreendido, esse fenômeno ainda depende do desenvolvimento de equipamentos que possam permitir sua observação em laboratório.

Os dois físicos salientam que elucidaram a fase inicial do fenômeno, quando os pares elétron-pósitron produzidos não interferem significativamente com a interação entre o laser e a folha metálica.

"Agora, nós estamos explorando o estágio não-linear, quando o plasma autogerado de elétrons-pósitrons modifica a interação. E nós vamos tentar expandir nossos resultados para configurações mais gerais das interações laser-matéria e outros regimes de interação, levando em consideração uma faixa de parâmetros mais ampla," disse Kostyukov.

Segundo ele, quando esses experimentos puderem ser realizados, o fenômeno da geração de matéria e antimatéria pelo laser poderá ser importante não apenas em pesquisas fundamentais de física e na bem-vinda produção de antimatéria, mas também em fontes de plasma e feixes de fótons e pósitrons que deverão superar muito a intensidade dos atuais aceleradores.

Bibliografia:

Production and dynamics of positrons in ultrahigh intensity laser-foil interactions
Igor Yu. Kostyukov, Evgeny N. Nerush
Physics of Plasmas
Vol.: 23, 093119
DOI: 10.1063/1.4962567




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