Alguns minutos na vida do universo, a colisão de emissões de energia luminosa criou as primeiras partículas de matéria e antimatéria. Estamos familiarizados com o processo reverso - matéria gerando energia - em tudo, desde uma fogueira a uma bomba atômica, mas tem sido difícil recriar essa transformação crítica da luz em matéria.

Agora, um novo conjunto de simulações por uma equipe de pesquisa liderada por Alexey Arefiev, da UC San Diego, aponta o caminho para fazer matéria a partir da luz. O processo começa apontando um laser de alta potência em um alvo para gerar um campo magnético tão forte quanto o de uma estrela de nêutrons. Este campo gera emissões de raios gama que colidem para produzir - por um breve instante - pares de partículas de matéria e antimatéria.

O estudo, publicado em 11 de maio em Revisão Física Aplicada oferece uma espécie de receita que os experimentalistas das instalações de laser de alta potência da Extreme Light Infrastructure (ELI) na Europa Oriental poderiam seguir para produzir resultados reais em um a dois anos, disse Arefiev, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial.

"Nossos resultados colocam os cientistas em posição de sondar, pela primeira vez, um dos processos fundamentais do universo, " ele disse.

Aproveitando alta potência

Arefiev, Ph.D. o aluno Tao Wang e seus colegas do Relativistic Laser-Plasma Simulation Group têm trabalhado durante anos em maneiras de criar intensos, feixes direcionados de energia e radiação, trabalho que é apoiado em parte pela National Science Foundation e Air Force Office of Science Research. Uma maneira de fazer isso, eles notaram, seria apontar um laser de alta potência em um alvo para criar um campo magnético muito forte que geraria intensas emissões de energia.

Alta intensidade, pulsos de laser ultracurtos direcionados a um alvo denso podem tornar o alvo "relativisticamente transparente, "à medida que os elétrons no laser se movem a uma velocidade muito próxima à velocidade da luz e efetivamente se tornam mais pesados, Arefiev explicou. Isso evita que os elétrons do laser se movam para proteger o alvo da luz do laser. Conforme o laser empurra esses elétrons, ele gera um campo magnético tão forte quanto a atração na superfície de uma estrela de nêutrons - 100 milhões de vezes mais forte que o campo magnético da Terra.

Dizer que tudo isso acontece em um piscar de olhos é um grande exagero. O campo magnético existe por 100 femtossegundos. (Um femtossegundo é 10 ^-15 de um segundo - um quatrilionésimo de segundo.) Mas "do ponto de vista do laser, o campo é quase estático, "disse Arefiev." Então, novamente, do ponto de vista do laser, nossas vidas são provavelmente mais longas do que a vida do universo. "

Um laser de alta potência, neste caso, está na faixa de multipetawatt. Um petawatt equivale a um milhão de bilhões de watts. Para comparação, o Sol distribui cerca de 174 petawatts de radiação solar para toda a parte superior da atmosfera da Terra. Um ponteiro laser fornece cerca de 0,005 watts para um slide Power Point.

Simulações anteriores sugeriram que o laser em questão teria que ser de alta potência e direcionado a um ponto minúsculo para produzir a intensidade necessária para criar um campo magnético forte o suficiente. As novas simulações sugerem que, ao aumentar o tamanho do ponto focal e aumentar a potência do laser para cerca de 4 petawatts, a intensidade do laser pode permanecer fixa e ainda criar o forte campo magnético.

Sob estas condições, as simulações mostram, os elétrons do campo magnético acelerados por laser estimulam a emissão de raios gama de alta energia.

"Não esperávamos que não precisássemos ir a uma intensidade louca, que é apenas o suficiente para aumentar a potência e você pode obter coisas muito interessantes, "disse Arefiev.

Pares de partículas

Uma dessas coisas interessantes é a produção de pares elétron-pósitron - partículas emparelhadas de matéria e antimatéria. Essas partículas podem ser produzidas colidindo dois feixes de raios gama ou colidindo um feixe de raios gama com a radiação do corpo negro, um objeto que absorve toda a radiação que incide sobre ele. O método produz muitos deles - dezenas a centenas de milhares de pares nascidos de uma colisão.

Os cientistas já realizaram a façanha da luz na matéria antes, notavelmente em um experimento de Stanford de 1997, mas esse método exigia um fluxo extra de elétrons de alta energia, enquanto o novo método "é apenas a luz usada para produzir matéria, "disse Arefiev. Ele também observou que o experimento de Stanford" produziria um par de partículas a cada 100 tiros ".

Um experimento que usa apenas luz para criar matéria imita mais de perto as condições durante os primeiros minutos do universo, oferecendo um modelo aprimorado para pesquisadores que procuram aprender mais sobre este período crítico. O experimento também pode fornecer mais chances de estudar partículas de antimatéria, que permanecem uma parte misteriosa da composição do universo. Por exemplo, os cientistas estão curiosos para saber mais sobre por que o universo parece ter mais matéria do que antimatéria, quando os dois deveriam existir em quantidades iguais.

Arefiev e seus colegas foram encorajados a fazer essas simulações agora porque as instalações de laser capazes de realizar os experimentos reais agora estão disponíveis. "Fizemos cálculos especificamente para os lasers que não estavam disponíveis até recentemente, mas agora deve estar disponível nessas instalações de laser, " ele disse.

Em uma reviravolta estranha, as simulações propostas pela equipe de pesquisa também podem ajudar os cientistas do ELI a determinar se seus lasers são tão intensos quanto eles pensam que são. Disparar um laser na faixa de multi-petawatt em um alvo de apenas cinco mícrons de diâmetro "destrói tudo, "disse Arefiev." Você atira e ele se foi, nada é recuperável, e você não pode realmente medir a intensidade de pico que você produz. "

Mas se os experimentos produzirem raios gama e pares de partículas conforme previsto, "esta será uma validação de que a tecnologia laser pode atingir uma intensidade tão alta, " ele adicionou.

Ano passado, os pesquisadores da UC San Diego receberam uma bolsa da U.S. National Science Foundation que lhes permite fazer parceria com pesquisadores do ELI para realizar esses experimentos. Esta parceria é crítica, Arefiev disse, porque não há instalações nos Estados Unidos com lasers potentes o suficiente, apesar de um relatório de 2018 da National Academies of Sciences alertando que os EUA perderam sua vantagem em investir em tecnologia de laser ultrarrápido intenso.

Arefiev disse que as instalações de laser do ELI estarão prontas para testar suas simulações em alguns anos. "Esta é a razão pela qual escrevemos este artigo, porque o laser está operacional, então não estamos muito longe de realmente fazer isso, "disse ele." Com a ciência, é isso que me atrai. Ver é crer."