Cientistas que estudam colisões de partículas no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA para pesquisas de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE - produziram evidências definitivas para dois fenômenos físicos previstos há mais de 80 anos. Os resultados foram derivados de uma análise detalhada de mais de 6, 000 pares de elétrons e pósitrons produzidos em colisões de partículas relance no RHIC e são publicados em Cartas de revisão física .

A principal descoberta é que pares de elétrons e pósitrons - partículas de matéria e antimatéria - podem ser criados diretamente pela colisão de fótons muito energéticos, que são "pacotes" quânticos de luz. Esta conversão de luz energética em matéria é uma consequência direta da famosa equação E =mc2 de Einstein, que afirma que energia e matéria (ou massa) são intercambiáveis. As reações nucleares ao sol e em usinas nucleares convertem regularmente matéria em energia. Agora, os cientistas converteram a energia da luz diretamente em matéria em uma única etapa.

O segundo resultado mostra que o caminho da luz viajando através de um campo magnético no vácuo se curva de forma diferente dependendo de como a luz é polarizada. Essa deflexão dependente da polarização (conhecida como birrefringência) ocorre quando a luz viaja através de certos materiais. (Este efeito é semelhante ao modo como a deflexão dependente do comprimento de onda divide a luz branca em arco-íris.) Mas esta é a primeira demonstração da curvatura da luz dependente da polarização no vácuo.

Ambos os resultados dependem da capacidade do detector STAR do RHIC - o Solenoid Tracker no RHIC - de medir a distribuição angular de partículas produzidas em colisões de íons de ouro movendo-se quase à velocidade da luz.

Nuvens de fótons em colisão

Essas capacidades não existiam quando os físicos Gregory Breit e John A. Wheeler descreveram pela primeira vez a possibilidade hipotética de colidir partículas de luz para criar pares de elétrons e suas contrapartes de antimatéria, conhecidos como pósitrons, em 1934.

"No jornal deles, Breit e Wheeler já perceberam que isso é quase impossível de fazer, "disse o físico do Brookhaven Lab Zhangbu Xu, membro da STAR Collaboration do RHIC. "Os lasers ainda nem existiam! Mas Breit e Wheeler propuseram uma alternativa:acelerar íons pesados. E a alternativa é exatamente o que estamos fazendo no RHIC."

Um íon é essencialmente um átomo nu, despojado de seus elétrons. Um íon de ouro, com 79 prótons, carrega uma poderosa carga positiva. Acelerar esse íon pesado carregado a velocidades muito altas gera um poderoso campo magnético que gira em torno da partícula em alta velocidade enquanto ela viaja - como 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, "Disse Xu. E esse arranjo de campos elétricos e magnéticos perpendiculares de força igual 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. "

No RHIC, os cientistas aceleram os íons de ouro a 99,995% da velocidade da luz em dois anéis aceleradores.

"Temos duas nuvens de fótons movendo-se em direções opostas com energia e intensidade suficientes para que, quando os dois íons passem um pelo outro sem colidir, esses campos de fótons podem interagir, "Xu disse.

Os físicos do STAR rastrearam as interações e procuraram os pares elétron-pósitron previstos.

Mas esses pares de partículas podem ser criados por uma série de processos no RHIC, inclusive por meio de fótons "virtuais", um estado de fóton que existe brevemente e carrega uma massa efetiva. Para ter certeza de que os pares matéria-antimatéria vinham de fótons reais, os cientistas têm de demonstrar que a contribuição dos fótons "virtuais" não altera o resultado do experimento.

Fazer isso, os cientistas do STAR analisaram os padrões de distribuição angular de cada elétron em relação ao pósitron parceiro. Esses padrões diferem para pares produzidos por interações de fótons reais versus fótons virtuais.

"Também medimos toda a energia, distribuições em massa, e números quânticos dos sistemas. Eles são consistentes com os cálculos da teoria para o que aconteceria com os fótons reais, "disse Daniel Brandenburg, um Goldhaber Fellow no Brookhaven Lab, que analisou os dados da STAR nesta descoberta.

Outros cientistas tentaram criar pares elétron-pósitron a partir de colisões de luz usando lasers poderosos - feixes focalizados de luz intensa. Mas os fótons individuais dentro desses feixes intensos não têm energia suficiente ainda, Brandenburg disse.

Um experimento no SLAC National Accelerator Laboratory em 1997 foi bem-sucedido usando um processo não linear. Os cientistas primeiro tiveram que aumentar a energia dos fótons em um feixe de laser colidindo-o com um poderoso feixe de elétrons. Colisões de fótons aumentados com vários fótons simultaneamente em um enorme campo eletromagnético criado por outra matéria e antimatéria produzida por laser.

"Nossos resultados fornecem evidências claras de criação em uma etapa de pares matéria-antimatéria a partir de colisões de luz, conforme originalmente previsto por Breit e Wheeler, "Brandenburg disse." Graças ao feixe de íons pesados ​​de alta energia do RHIC e à grande aceitação e medições de precisão do detector STAR, somos capazes de analisar todas as distribuições cinemáticas com estatísticas elevadas para determinar se os resultados experimentais são de fato consistentes com as colisões de fótons reais. "

Curvando a luz no vácuo

A habilidade do STAR de medir as minúsculas deflexões de elétrons e pósitrons produzidos quase consecutivamente nesses eventos também deu aos físicos uma maneira de estudar como as partículas de luz interagem com os poderosos campos magnéticos gerados pelos íons acelerados.

"A nuvem de fótons em torno dos íons de ouro em um dos feixes de RHIC está disparando contra o forte campo magnético circular produzido pelos íons acelerados no outro feixe de ouro, "disse Chi Yang, um colaborador de longa data do STAR da Universidade de Shandong que passou toda a sua carreira estudando pares elétron-pósitron produzidos a partir de vários processos no RHIC. "Observar a distribuição das partículas que saem nos mostra como a luz polarizada interage com o campo magnético."

Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler em 1936, e John Toll na década de 1950, previu que um vácuo de espaço vazio poderia ser polarizado por um poderoso campo magnético e que tal vácuo polarizado deveria desviar os caminhos dos fótons dependendo da polarização dos fótons. Pedágio, em sua tese, também detalhou como a absorção de luz por um campo magnético depende da polarização e sua conexão com o índice de refração da luz no vácuo. Esta deflexão dependente da polarização, ou birrefringência, foi observada em muitos tipos de cristais. Houve também um relatório recente da luz proveniente de uma estrela de nêutrons curvando-se nesta direção, presumivelmente por causa de suas interações com o campo magnético da estrela. Mas nenhum experimento baseado na Terra detectou birrefringência no vácuo.

No RHIC, os cientistas mediram como a polarização da luz afetava se a luz era "absorvida" pelo campo magnético.

Isso é semelhante ao modo como os óculos de sol polarizados bloqueiam a passagem de certos raios se eles não corresponderem à polarização das lentes, Yang explicou. No caso dos óculos de sol, além de ver menos luz passar, você poderia, em princípio, meça um aumento na temperatura do material da lente à medida que ele absorve a energia da luz bloqueada. No RHIC, a energia da luz absorvida é o que cria os pares elétron-pósitron.

"Quando olhamos para os produtos produzidos por interações fóton-fóton no RHIC, vemos que a distribuição angular dos produtos depende do ângulo de polarização da luz. Isso indica que a absorção (ou passagem) da luz depende de sua polarização, "Yang disse.

Esta é a primeira observação experimental baseada na Terra de que a polarização afeta as interações da luz com o campo magnético no vácuo - a birrefringência no vácuo prevista em 1936.

"Ambas as descobertas se baseiam em previsões feitas por alguns dos grandes físicos do início do século 20, "disse Frank Geurts, um professor da Rice University, cuja equipe construiu e operou os componentes do detector "Time-of-Flight" de última geração do STAR que eram necessários para esta medição. "Eles são baseados em medições fundamentais tornadas possíveis apenas recentemente com as tecnologias e técnicas de análise que desenvolvemos no RHIC."