Nel 1905 Albert Einstein scrisse e pubblicò sulla rivista scientifica Annalen der Physik, quattro articoli innovativi sulla teoria dei quanti e sulla relatività. Uno affrontava l'effetto fotoelettrico e il moto browniano, gli altri formulavano la relatività ristretta e stabilivano l'equivalenza massa-energia, rivoluzionando la fisica classica. Quello venne ricordato come l'annus mirabilis di Einstein o anno meraviglioso.

Uno di questi documenti, lungo solo due pagine, cercava di spiegare uno strano aspetto del decadimento radioattivo, ipotizzando che l'energia in eccesso potesse essere bilanciata da una perdita di massa delle particelle nucleari. Questa idea alla fine portò alla famosa equazione E = mc2.

Questa equazione è spesso sintetizzata dicendo che materia ed energia sono due facce della stessa medaglia. In realtà significa che la massa inerziale e l'energia di un oggetto dipendono dal moto relativo di un osservatore e, per questo, i due sono correlati (in modo simile alla connessione tra spazio e tempo). Come conseguenza, nelle giuste circostanze, la materia può produrre energia attraverso una perdita di massa. Ora sappiamo che questo è esattamente ciò che accade nel decadimento radioattivo, osservato anche dalla famosa Marie Curie che notò che alcuni materiali come i sali di radio possono emettere particelle con molta più energia di quanto sia possibile con la semplice chimica.

Naturalmente, se la materia può diventare energia, allora deve essere possibile anche il contrario e cioè che l'energia diventi materia. Questo trucco è un po' più difficile e ci sono voluti gli acceleratori di particelle per metterlo in pratica. In questi macchinari, le particelle accelerate quasi alla velocità della luce, collidono. La grande massa apparente delle particelle rilascia un'energia tremenda e parte di quell'energia si trasforma nuovamente in particelle, proprio come annunciato da Einstein in sole due pagine. Ma le leggi della fisica pongono anche vincoli specifici sulla natura della materia e dell'energia che vengono create. Uno degli esempi più semplici è l'annichilazione elettrone-positrone. Questo accade quando un elettrone si scontra con il suo gemello di antimateria. Le due particelle hanno la stessa massa ma carica opposta, quindi quando collidono producono due fotoni ad alta energia (la massa dell'elettrone e del positrone si trasformano interamente in energia), rispettando la conservazione della carica elettrica totale che rimane nulla.

L'inverso, per così dire, è noto come processo Breit-Wheeler e prevede la collisione di due fotoni per creare una coppia elettrone-positrone. Tuttavia, convertire due fotoni direttamente in materia è molto difficile ma ora, un recente esperimento dimostra che si può fare.

 

L'esperimento

- Le reazioni nucleari nelle stelle 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
- 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
- Il percorso della luce che viaggia attraverso un campo magnetico nel vuoto si piega in modo diverso a seconda di come la luce è polarizzata.
- Questa è la prima dimostrazione del piegamento della luce nel vuoto dipendente dalla polarizzazione.

Il team ha utilizzato il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, esaminando più di 6.000 eventi che hanno creato coppie elettrone-positrone. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, i ricercatori non hanno puntato due laser l'uno contro l'altro ma hanno invece utilizzato collisioni di particelle ad alta energia per creare intense esplosioni di fotoni. In alcuni casi, questi fotoni si sono scontrati per creare una coppia elettrone-positrone.

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, i positroni, nel 1934. "Nel loro articolo, Breit e Wheeler si erano già resi conto che questo era quasi impossibile da fare", ha affermato il fisico del Brookhaven Lab Zhangbu Xu, membro della STAR Collaboration di RHIC. “I laser non esistevano ancora! Ma Breit e Wheeler proposero un'alternativa: accelerare gli ioni pesanti. E la loro alternativa è esattamente ciò che stiamo realizzando al 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 attorno traiettoria della particella in movimento, come quando la corrente 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", ha detto Xu. E quella disposizione di campi elettrici e magnetici perpendicolari di uguale forza è praticamente un fotone: una "particella" quantizzata di luce. "Quindi, quando gli ioni si muovono vicino 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 a permettere, quando i due ioni si sfiorano l'un l'altro senza scontrarsi, che quei campi di fotoni possono interagire", ha detto Xu. I fisici di STAR hanno monitorato le interazioni e hanno cercato le coppie elettrone-positrone previste.

La capacità di STAR di misurare le minuscole deviazioni di elettroni e positroni prodotti quasi in successione in questi eventi ha anche fornito 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", ha detto Chi Yang, un collaboratore di lunga data di STAR dell'Università di Shandong. "Osservare la distribuzione delle particelle che escono ci dice come la luce polarizzata interagisce con il campo magnetico". Questo ha permesso di dimostrare un altro effetto interessante noto come birifrangenza del vuoto.

La birifrangenza normale si verifica quando la luce viene divisa in due fasci di diversa polarizzazione. Un po' come succede se facciamo passare al luce attraverso un cristallo di calcite (una cosa simile al modo in cui la deflessione, dipendente dalla lunghezza d'onda, divide la luce bianca in arcobaleni). Con la birifrangenza del vuoto, la luce che passa attraverso un campo magnetico intenso viene divisa in due polarizzazioni, con ciascuna polarizzazione che prende un percorso leggermente diverso. Pensandoci, è un effetto sorprendente perché significa che si può cambiare il percorso della luce nel vuoto, usando solo un campo magnetico. La birifrangenza del vuoto, teorizzata negli anni '30 del secolo scorso, è stata osservata nella luce proveniente da una stella di neutroni ma questa è la prima volta che viene sperimentata in laboratorio.

L'esperimento è stato descritto su Physical Review Letters.


Fotoni reali o virtuali?

Il team sta ora rivendicando l'esperimento come la prima osservazione diretta del processo Breit-Wheeler. Ma alcuni fisici sostengono che i fotoni non si qualificano come "reali", sollevando dubbi sul risultato.

Le coppie di particelle possono essere create da una serie di processi nel RHIC, anche attraverso fotoni "virtuali", uno stato di fotone che esiste brevemente e trasporta una massa effettiva (nella fisica delle particelle, le particelle virtuali sono quelle che appaiono solo per brevi istanti, ossia rappresentano una manifestazione temporanea e non direttamente osservabile). Così, mentre i fisici concordano sul fatto che i fotoni provenienti da una comune fonte di luce, come una lampadina o un laser, sono reali, rimangono perplessi su quelli creati nell'esperimento guidato dal fisico Daniel Brandenburg. Questo perché la luce usata dalla squadra proviene, come descritto sopra, da una fonte insolita.

Quindi, per essere sicuri che le coppie materia-antimateria provengano da fotoni reali, gli scienziati devono dimostrare che il contributo dei fotoni "virtuali" non cambi l'esito dell'esperimento. Per far ciò, il team ha 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, le distribuzioni di massa e i numeri quantici dei sistemi. Sono coerenti con i calcoli teorici di ciò che accadrebbe con i fotoni reali", ha affermato Brandenburg.

Altri scienziati hanno cercato di creare coppie elettrone-positrone da collisioni di luce utilizzando potenti laser, fasci di luce intensa focalizzata. "Ma i singoli fotoni all'interno di quei fasci non avevano ancora abbastanza energia", ha detto Brandenburg. Un esperimento presso lo SLAC National Accelerator Laboratory nel 1997 era riuscito nell'intento ma utilizzando un processo non lineare. In quel caso, prima di ottenere materia e antimateria, gli scienziati avevano dovuto innalzare l'energia dei fotoni in un raggio laser facendolo scontrare con un potente fascio di elettroni.

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

Ma non tutti sono convinti della visione "test dell'anatra" di Brandenburg e colleghi: «Se sembra un'anatra, nuota come un'anatra e starnazza come un'anatra, allora probabilmente è un'anatra». Tuttavia, "in senso stretto", afferma il fisico delle particelle Lucian Harland-Lang dell'Università di Oxford, l'esperimento è solo "una sorta di passo avanti" verso il vero processo Breit-Wheeler. Sebbene i fotoni si comportino quasi come se fossero reali, sono tecnicamente virtuali. 

Un modo per aggirare la spinosa questione sarebbe quello di eseguire lo stesso esperimento con fotoni indiscutibilmente reali, come quelli prodotti da un laser. Alcuni fisici già ci stanno lavorando.