Colisões de luz produzem matéria e antimatéria a partir de energia pura

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/07/2021

Fazendo matéria a partir da luz: Dois íons de ouro (Au) (vermelho) se movem em sentidos opostos a 99,995% da velocidade da luz. Conforme passam um pelo outro sem colidir, dois fótons (y) da nuvem eletromagnética em torno dos íons interagem para criar um par matéria-antimatéria: um elétron (e-) e um pósitron (e+).
[Imagem: BNL]

Produção de matéria e antimatéria

Físicos do acelerador de partículas RHIC (Colisor de Íons Pesados Relativísticos), nos EUA, conseguiram evidências definitivas da criação de matéria e antimatéria a partir da luz.

Os pares de elétrons e antielétrons, ou pósitrons - partículas de matéria e de antimatéria - foram criados diretamente pela colisão de fótons de alta energia.

Essa conversão de luz em matéria é uma consequência direta da famosa equação E = mc² de Einstein, que mostra que energia e matéria (ou massa) são intercambiáveis. As reações de fusão nuclear nas estrelas convertem regularmente matéria em energia, mas a equipe demonstrou agora a conversão de energia diretamente em matéria em uma única etapa.

As teorias já previam isso há muito tempo, mas a obtenção do resultado experimental inequívoco é o passo essencial e definitivo para demonstrar que as teorias estão corretas - Gregory Breit e John Wheeler previram a possibilidade usar a colisão de partículas de luz para criar pares de elétrons e antielétrons em 1934.

E o feito também é uma ótima notícia para as previsões - por enquanto, apenas matemáticas - de uma reportagem que publicamos ontem prevendo nada menos do que uma revolução nas tecnologias da luz, que prevê explorar justamente essa possibilidade de conversão de luz em matéria e antimatéria.

Luz gerando matéria

Embora a luz seja o elemento criador da matéria e da antimatéria, o experimento não começa com grandes lasers, como seria de se esperar. Em vez disso, tudo começa com íons pesados acelerados até próximo da velocidade da luz.

Este é o detector STAR, que capturou a criação de matéria e antimatéria pelos fótons.
[Imagem: BNL]

Íons são essencialmente átomos que tiveram seu elétrons arrancados. Sem elétrons, um íon de ouro, por exemplo, com 79 prótons, carrega uma forte carga positiva. Acelerar esse íon a velocidades muito altas gera um poderoso campo magnético que gira em torno da partícula em alta velocidade conforme ela viaja pelo acelerador, como se fosse uma corrente fluindo através de um fio.

"Se a velocidade for alta o suficiente, a força do campo magnético circular pode ser igual à força do campo elétrico perpendicular. E esse arranjo de campos elétricos e magnéticos perpendiculares de igual força é exatamente o que um fóton é - uma partícula quantizada de luz. Então, quando os íons estão se movendo perto da velocidade da luz, há um monte de fótons em torno do núcleo de ouro, viajando com ele como uma nuvem," explicou o professor Zhangbu Xu, do Laboratório Nacional Brookhaven, nos EUA.

Um dos detectores do acelerador, chamado STAR, ficou então observando quando dois desses íons passavam chispando um pelo outro, sem se chocar, mas perto o suficiente para que seus campos de fótons interagissem, chocando-se e criando os pares de matéria e antimatéria previstos pela teoria.

O resultado demorou porque, para ser considerado inequívoco, era necessário demonstrar que os pares de elétrons e pósitrons estavam se originando apenas dos fótons reais dos dois íons, sem participação dos fótons virtuais, aqueles que emergem do vácuo quântico a todo instante e que também podem originar pares de matéria e antimatéria, conforme diversos experimentos já demonstraram.

"Nós também medimos toda a energia, as distribuições de massa e números quânticos dos sistemas. Eles são consistentes com os cálculos da teoria para o que aconteceria com fótons reais," disse Daniel Brandenburg, membro da equipe. "Nossos resultados fornecem evidências claras da criação direta em uma única etapa de pares matéria-antimatéria a partir de colisões de luz, conforme originalmente previsto por Breit e Wheeler."

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