Científicos calculan cómo crear materia y antimateria mediante rayos láser

Rayo láser

Los cálculos de un equipo de investigación en el Instituto de Física Aplicada de la Academia Rusa de Ciencias (IAP RAS, por sus siglas en inglés), descritos esta semana en 'Physics of Plasmas', explican la producción y la dinámica de los electrones y positrones mediante interacciones de láser de ultra alta intensidad y materia. En otras palabras: han calculado cómo crear materia y antimateria mediante rayos láser.

Los espectaculares avances en las tecnologías de láser están permitiendo realizar nuevos estudios para explorar la interacción láser-materia a una intensidad ultra alta. Al centrarse en pulsos de láser de alta potencia, los campos eléctricos (de órdenes de magnitud mayor que la encontrada dentro de los átomos) son producidos de forma rutinaria y pronto puede ser lo suficientemente intenso como para crear materia a partir de la luz.

Los campos eléctricos intensos hacen que los electrones se sometan a enormes pérdidas por radiación debido a que una cantidad significativa de su energía se convierte en fotones de alta energía de los rayos gamma, que son las partículas que componen la luz.

Los fotones de alta energía producidos por este proceso interactúan con el fuerte campo del láser y crean pares electrón-positrón. Como resultado, emerge un nuevo estado de la materia: partículas que interactúan fuertemente, campos ópticos y la radiación gamma, cuya dinámica se rige por la interacción entre los fenómenos de la física clásica y los procesos cuánticos.

Un concepto clave detrás del trabajo del equipo se basa en la predicción de la electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés) que "un fuerte campo eléctrico puede, en términos generales, 'hervir el vacío', que está lleno de"partículas virtuales, como los pares electrón-positrón", explica Igor Kostyukov, de IAP RAS. "El campo puede convertir estos tipos de partículas desde un estado virtual, en el que las partículas no son directamente observables, a uno real", añade.

Una impresionante manifestación de este tipo de fenómeno QED es una cascada QED guiada por láser de autosostenibilidad, que es un gran desafío todavía sin observar en un laboratorio. "Piense en ello como una reacción en cadena en la que cada eslabón de la cadena consiste en procesos secuenciales", propone Kostyukov.

"Comienza con la aceleración de los electrones y positrones dentro del campo láser. A esto le sigue la emisión de fotones de alta energía por la aceleración de los electrones y positrones. Entonces, la decadencia de fotones de alta energía produce pares electrón-positrón, que siguen a las nuevas generaciones de partículas en cascada. Una cascada QED conduce a una producción similar a la avalancha de los plasmas de fotones de alta energía de electrones-positrones", relata.

Para este trabajo, los investigadores exploraron la interacción de un pulso de láser muy intenso con una lámina a través de simulaciones numéricas. "Esperábamos producir un gran número de fotones de alta energía y que una parte de ellos decaería y produciría pares electrón-positrón", relata Kostyukov.

"Nuestra primera sorpresa fue que el número de fotones de alta energía producidos por los positrones es mucho mayor que el generado por los electrones de la lámina. Esto condujo a un crecimiento exponencial muy agudo del número de positrones, lo que significa que si se detecta un mayor número de positrones en un experimento correspondiente se puede concluir que la mayoría de ellos se generan en una cascada QED", argumenta.

También pudieron observar una estructura distinta de la distribución de positrones en las simulaciones a pesar de la cierta aleatoriedad de los procesos de emisión de fotones y la decadencia. "Al analizar el movimiento de positrones en los campos electromagnéticos frente a la lámina, descubrimos que algunas características del movimiento regulan la distribución de positrones y nos llevaron a estructuras helicoidales similares a las vistas en las simulaciones", agrega.