E = mc². È una delle equazioni più basilari e fondamentali di tutta l'astrofisica. Ma più che suggerire che massa ed energia sono interconnesse, implica che la luce può essere trasformata fisicamente in materia.
Ma si può davvero – fisicamente – essere fatto? Gli scienziati hanno proposto la teoria più di 80 anni fa, ma solo oggi hanno aperto la strada a questa trasformazione di routine sulla Terra.
Il concetto richiede un nuovo tipo di collisore fotone-fotone. Sembra fantascienza, ma potrebbe essere trasformato in realtà con la tecnologia esistente.
'Sebbene la teoria sia concettualmente semplice, è stato molto difficile verificarla sperimentalmente', ha affermato il ricercatore capo Oliver Pike dell'Imperial College di Londra in un comunicato stampa . 'Siamo stati in grado di sviluppare l'idea per il collisore molto rapidamente, ma il progetto sperimentale che proponiamo può essere realizzato con relativa facilità'.
Nel 1934, due fisici Gregory Breit e John Wheeler proposero che sarebbe stato possibile trasformare la luce in materia rompendo insieme solo due fotoni, le particelle fondamentali della luce, per creare un elettrone e un positrone. Era il metodo più semplice per trasformare la luce in materia mai previsto, ma non è mai stato osservato in laboratorio.
Esperimenti passati hanno richiesto l'aggiunta di particelle massicce ad alta energia. Abbiamo visto dallo sviluppo delle armi nucleari e dei reattori a fissione che una piccola quantità di materia può produrre un'enorme quantità di energia. Quindi sembra che la teoria di Breit e Wheeler richiederebbe l'effetto opposto: enormi quantità di energia dai fotoni per produrre una piccola quantità di materia.
Questo esperimento sarà il primo in quanto non richiede l'aggiunta di enormi particelle ad alta energia. Sarà eseguito esclusivamente da fotoni.
Il concetto prevede l'utilizzo di un laser ad alta intensità per accelerare gli elettroni appena al di sotto della velocità della luce, quindi frantumarli in una lastra d'oro per creare un raggio di fotoni un miliardo di volte più energico della luce visibile. Allo stesso tempo, un altro raggio laser verrebbe lanciato su un hohlraum - un piccolo contenitore d'oro che significa 'lattina vuota' in tedesco - che creerebbe un campo di radiazioni con fotoni che ronzano all'interno.
Il raggio di fotoni iniziale sarebbe diretto nel centro dell'hohlraum. Quando i fotoni delle due sorgenti si scontrano, alcuni verrebbero convertiti in coppie di elettroni e positroni. Un rilevatore avrebbe quindi raccolto le firme della materia e dell'antimateria mentre volavano fuori dal contenitore.
Teorie che descrivono le interazioni tra luce e materia. Credito immagine: Oliver Pike, Imperial College London
'Nel giro di poche ore alla ricerca di applicazioni di hohlraum al di fuori del loro ruolo tradizionale nella ricerca sull'energia di fusione, siamo rimasti sbalorditi nello scoprire che fornivano le condizioni perfette per creare un collisore di fotoni', ha detto Pike. 'La corsa per eseguire e completare l'esperimento è iniziata!'
La dimostrazione, se eseguita con successo, rappresenterebbe un nuovo tipo di esperimento di fisica delle alte energie. Completerebbe l'elenco dei fisici dei modi fondamentali in cui la luce e la materia interagiscono, e ricreerebbe entrambi un processo importante 100 secondi dopo il Big Bang e un processo visibile nei lampi di raggi gamma, le esplosioni più potenti del cosmo.
Il carta è stato pubblicato su Nature Photonics.