Dalla luce alla materia: ora è possibile

Crediti: Jeff Keyzer

Nuovi passi in avanti verso il completo controllo della luce da parte degli scienziati. Un gruppo di fisici dell’Imperial College di Londra, Regno Unito, ha scoperto come passare dalla luce alla materia in pochi “semplici” passi, dopo 80 anni da quando, per la prima volta, venne teorizzata questa possibilità. Creare la materia dalla luce è tra gli obiettivi più suggestivi della elettrodinamica quantistica e questa volta il gruppo di fisici, in collaborazione con il Max-Planck-Institut für Kernphysik, sembra aver centrato il bersaglio, provando la teoria degli scienziati Gregory Breit e John Wheeler, i quali, nel 1934, suggerirono che poteva sarebbe stato possibile un giorno trasformare la luce in materia “semplicemente” facendo scontrare due fotoni (le particelle elementari della luce) creando così un elettrone e un positrone. Prima di allora non era mai stato teorizzato un metodo tanto semplice, anche se i due scienziati non si sarebbero mai aspettati che, 80 anni dopo, qualcuno sarebbe stato in grado di dimostrarlo fisicamente. Numerosi test in passato hanno tentato l’impresa utilizzando sempre le particelle ad alta energia ma senza mai raggiungere il risultato desiderato.

Lo studio è stato pubblicato su Nature photonics e mostra quello che gli scienziati hanno chiamato “photon-photon collider” (collisore di fotoni) , un esperimento che potrebbe ricreare un processo che è stato importante nei primi 100 secondi dell’Universo e che è presente anche nei lampi di raggi gamma (i Gamma-Ray Burst, o GRB, le più grandi esplosioni che avvengono nell’Universo). Steve Rose, del Dipartimento di Fisica dell’Imperial College ha detto: “Nonostante tutti i fisici abbiano sempre accolto la teoria come vera, quando Breit e Wheeler la proposero per la prima volta dissero che non si sarebbero mai aspettati che venisse provata in laboratorio. Oggi possiamo dire che si sono sbagliati. Ciò che è più sorprendente per noi è stato scoprire che per passare dalla luce alla materia si può utilizzare la tecnologia che abbiamo oggi nel Regno Unito”.

Schema del photon–photon collider. Crediti: Oliver Pike, Imperial College London

L’esperimento prevederà due fasi: in primo luogo, gli scienziati useranno un potentissimo laser ad alta intensità per accelerare elettroni poco sotto la velocità della luce e questi verranno sparati contro una lastra d’oro per creare un fascio di fotoni un miliardo di volte più energetici della luce visibile. Il passo successivo coinvolge un piccolo dispositivo chiamato in gergo tecnico hohlraum (che è il termine tedesco per “stanza vuota”, “cavità”), una sorta di lattina dorata. All’interno di questo dispositivo i fisici spareranno un laser ad alta energia per creare un campo di radiazione termica, generando luce simile a quella emessa dalle stelle. Il fine dell’esperimento è dirigere il fascio di fotoni dalla lastra d’oro attraverso il centro dell’hohlraum, dove impatterebbero con quelli prodotti dal riscaldamento della cavità. Gli elettroni e i positroni prodotti negli scontri fotone-fotone sarebbero poi facilmente identificabili una volta usciti dalla cavità.

Il primo autore dello studio, Oliver Pike, ha spiegato: ”Anche se la teoria è concettualmente semplice, è stato molto difficile verificarla in laboratorio. Siamo stati in grado di sviluppare l’idea per il collider molto rapidamente e il disegno sperimentale che proponiamo può essere realizzato con relativa facilità sfruttando la tecnologia esistente. Pensando a come sfruttare gli hohlraum, al di fuori delle loro applicazioni nell’ambito della ricerca sull’energia da fusione, siamo stati sorpresi di scoprire nel giro di poche ore che questi dispositivi sono ideali per creare un collisore di fotoni”.

Di recente la comunità scientifica è stata molto attiva nell’abito della ricerca sul controllo della luce: un gruppo di ricercatori del MIT di Cambridge ha creato, infatti, un filtro che permette di separare la luce a seconda della direzione di propagazione, e, non molto tempo fa, un altro gruppo di fisici ha creato una nuova forma di materia, la cosiddetta “molecola di luce”, che verrà utilizzata in futuro anche in qualche forma di luce “tangibile”, come sculture di luce, spade laser o addirittura computer quantistici, il futuro della fisica.

Per saperne di più:

• Leggi qui lo studio: “A photon–photon collider in a vacuum hohlraum”, di O. J. Pike, F. Mackenroth, E. G. Hill & S. J. Rose
• Leggi qui le news di Media INAF: “Materia di luce” e “A un passo dal controllo totale della luce“

Fonte: Media INAF | Scritto da Eleonora Ferroni