Gli scienziati che studiano le collisioni di particelle presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura utilizzata dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, hanno prodotto prove definitive per due fenomeni fisici previsti più di 80 anni fa. I risultati sono stati derivati ​​da un'analisi dettagliata di più di 6, 000 coppie di elettroni e positroni prodotti in collisioni di particelle stridenti a RHIC e sono pubblicati in Lettere di revisione fisica .

La scoperta principale è che coppie di elettroni e positroni, particelle di materia e antimateria, possono essere create direttamente dalla collisione di fotoni molto energetici, che sono "pacchetti" quantistici di luce. Questa conversione della luce energetica in materia è una diretta conseguenza della famosa equazione E=mc2 di Einstein, che afferma che energia e materia (o massa) sono intercambiabili. Le reazioni nucleari al sole e nelle centrali nucleari convertono regolarmente la materia in energia. Ora gli scienziati hanno convertito l'energia della luce direttamente in materia in un unico passaggio.

Il secondo risultato mostra che il percorso della luce che viaggia attraverso un campo magnetico nel vuoto si piega in modo diverso a seconda di come quella luce è polarizzata. Tale deflessione dipendente dalla polarizzazione (nota come birifrangenza) si verifica quando la luce viaggia attraverso determinati materiali. (Questo effetto è simile al modo in cui la deflessione dipendente dalla lunghezza d'onda divide la luce bianca in arcobaleni.) Ma questa è la prima dimostrazione del piegamento della luce nel vuoto dipendente dalla polarizzazione.

Entrambi i risultati dipendono dalla capacità del rivelatore STAR di RHIC, il Solenoid Tracker di RHIC, di misurare la distribuzione angolare delle particelle prodotte in collisioni superficiali di ioni d'oro che si muovono quasi alla velocità della luce.

Nubi di fotoni in collisione

Tali capacità non esistevano quando i fisici Gregory Breit e John A. Wheeler descrissero per la prima volta l'ipotetica possibilità di far scontrare particelle di luce per creare coppie di elettroni e le loro controparti di antimateria, conosciuti come positroni, nel 1934.

"Nel loro giornale, Breit e Wheeler si sono già resi conto che è quasi impossibile farlo, ", ha affermato il fisico del Brookhaven Lab Zhangbu Xu, un membro della STAR Collaboration di RHIC. "I laser non esistevano ancora! Ma Breit e Wheeler hanno proposto un'alternativa:accelerare gli ioni pesanti. E la loro alternativa è esattamente ciò che stiamo facendo alla RHIC".

Uno ione è essenzialmente un atomo nudo, spogliato dei suoi elettroni. Uno ione d'oro, con 79 protoni, porta una potente carica positiva. L'accelerazione di uno ione pesante così carico a velocità molto elevate genera un potente campo magnetico che si avvolge a spirale attorno alla particella in velocità mentre viaggia, come la corrente che scorre attraverso un filo.

"Se la velocità è abbastanza alta, la forza del campo magnetico circolare può essere uguale alla forza del campo elettrico perpendicolare, " disse Xu. E quella disposizione di campi elettrici e magnetici perpendicolari di uguale intensità è esattamente ciò che è un fotone:una "particella" quantizzata di luce. "Quindi, quando gli ioni si avvicinano alla velocità della luce, ci sono un mucchio di fotoni che circondano il nucleo d'oro, viaggiando con esso come una nuvola."

Al RHIC, gli scienziati accelerano gli ioni d'oro al 99,995% della velocità della luce in due anelli acceleratori.

"Abbiamo due nuvole di fotoni che si muovono in direzioni opposte con energia e intensità sufficienti che quando i due ioni si sfiorano senza scontrarsi, quei campi di fotoni possono interagire, " disse Xu.

I fisici di STAR hanno monitorato le interazioni e hanno cercato le coppie elettrone-positrone previste.

Ma tali coppie di particelle possono essere create da una serie di processi a RHIC, anche attraverso fotoni "virtuali", uno stato di fotone che esiste brevemente e porta una massa effettiva. Per essere sicuri che le coppie materia-antimateria provenissero da fotoni reali, gli scienziati devono dimostrare che il contributo dei fotoni "virtuali" non cambia l'esito dell'esperimento.

Fare quello, gli scienziati di STAR hanno analizzato i modelli di distribuzione angolare di ciascun elettrone rispetto al suo partner positrone. Questi modelli differiscono per le coppie prodotte da interazioni di fotoni reali rispetto a fotoni virtuali.

"Abbiamo anche misurato tutta l'energia, distribuzioni di massa, e numeri quantici dei sistemi. Sono coerenti con i calcoli teorici per ciò che accadrebbe con i fotoni reali, " disse Daniel Brandeburgo, un Goldhaber Fellow al Brookhaven Lab, che ha analizzato i dati STAR su questa scoperta.

Altri scienziati hanno cercato di creare coppie elettrone-positrone da collisioni di luce utilizzando potenti laser, fasci focalizzati di luce intensa. Ma i singoli fotoni all'interno di quei fasci intensi non hanno ancora abbastanza energia, Brandeburgo ha detto.

Un esperimento presso lo SLAC National Accelerator Laboratory nel 1997 è riuscito utilizzando un processo non lineare. Gli scienziati hanno dovuto prima aumentare l'energia dei fotoni in un raggio laser facendolo scontrare con un potente raggio di elettroni. Le collisioni dei fotoni potenziati con più fotoni simultaneamente in un enorme campo elettromagnetico creato da un altro laser hanno prodotto materia e antimateria.

"I nostri risultati forniscono una chiara evidenza di diretta, creazione in un solo passaggio di coppie materia-antimateria da collisioni di luce come originariamente previsto da Breit e Wheeler, " Brandenburg ha detto. "Grazie al fascio di ioni pesanti ad alta energia di RHIC e all'ampia accettazione e alle misurazioni di precisione del rivelatore STAR, siamo in grado di analizzare tutte le distribuzioni cinematiche con statistiche elevate per determinare che i risultati sperimentali sono effettivamente coerenti con le collisioni di fotoni reali".

Piegare la luce nel vuoto

La capacità di STAR di misurare le minuscole deviazioni di elettroni e positroni prodotti quasi in successione in questi eventi ha anche fornito ai fisici un modo per studiare come le particelle di luce interagiscono con i potenti campi magnetici generati dagli ioni accelerati.

"La nuvola di fotoni che circonda gli ioni d'oro in uno dei raggi di RHIC sta sparando nel forte campo magnetico circolare prodotto dagli ioni accelerati nell'altro raggio d'oro, " disse Chi Yang, un collaboratore di lunga data di STAR dell'Università di Shandong che ha trascorso la sua intera carriera studiando le coppie elettrone-positrone prodotte da vari processi al RHIC. "Osservare la distribuzione delle particelle che escono ci dice come la luce polarizzata interagisce con il campo magnetico".

Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler nel 1936, e John Toll negli anni '50, predisse che un vuoto di spazio vuoto potrebbe essere polarizzato da un potente campo magnetico e che un tale vuoto polarizzato dovrebbe deviare i percorsi dei fotoni a seconda della polarizzazione dei fotoni. Pedaggio, nella sua tesi, ha anche dettagliato come l'assorbimento della luce da parte di un campo magnetico dipenda dalla polarizzazione e dalla sua connessione con l'indice di rifrazione della luce nel vuoto. Questa deflessione dipendente dalla polarizzazione, o birifrangenza, è stato osservato in molti tipi di cristalli. C'è stato anche un recente rapporto sulla luce proveniente da una stella di neutroni che si piega in questo modo, presumibilmente a causa delle sue interazioni con il campo magnetico della stella. Ma nessun esperimento sulla Terra ha rilevato la birifrangenza nel vuoto.

Al RHIC, gli scienziati hanno misurato in che modo la polarizzazione della luce influiva sul fatto che la luce fosse "assorbita" dal campo magnetico.

Questo è simile al modo in cui gli occhiali da sole polarizzati bloccano il passaggio di determinati raggi se non corrispondono alla polarizzazione delle lenti, Yang ha spiegato. Nel caso degli occhiali da sole, oltre a veder passare meno luce, potresti, in linea di principio, misurare un aumento della temperatura del materiale della lente in quanto assorbe l'energia della luce bloccata. Al RHIC, l'energia luminosa assorbita è ciò che crea le coppie elettrone-positrone.

"Quando osserviamo i prodotti prodotti dalle interazioni fotone-fotone al RHIC, vediamo che la distribuzione angolare dei prodotti dipende dall'angolo di polarizzazione della luce. Ciò indica che l'assorbimento (o il passaggio) della luce dipende dalla sua polarizzazione, " ha detto Yang.

Questa è la prima osservazione sperimentale basata sulla Terra che la polarizzazione influenza le interazioni della luce con il campo magnetico nel vuoto, la birifrangenza del vuoto prevista nel 1936.

"Entrambi questi risultati si basano su previsioni fatte da alcuni dei grandi fisici all'inizio del XX secolo, " ha detto Frank Geurts, un professore alla Rice University, il cui team ha costruito e gestito i componenti del rivelatore "Time-of-Flight" all'avanguardia di STAR che erano necessari per questa misurazione. "Si basano su misurazioni fondamentali rese possibili solo di recente con le tecnologie e le tecniche di analisi che abbiamo sviluppato al RHIC".