Em uma demonstração de E = mc2 de Einstein, as colisões de luz produziram elétrons e pósitrons
Colide luz com luz e puf, você obtém matéria e antimatéria. Parece uma ideia simples, mas é surpreendentemente difícil de provar.
Uma equipe de físicos está reivindicando agora a primeira observação direta do tão procurado processo Breit-Wheeler, no qual duas partículas de luz, ou fótons, colidem uma com a outra e produzem um elétron e sua contraparte de antimatéria, um pósitron. Mas, como uma discussão de um curso introdutório à filosofia, o significado da detecção depende da definição da palavra “real”. Alguns físicos argumentam que os fótons não se qualificam como reais, levantando questões sobre as implicações da observação.
Previsto há mais de 80 anos, o processo Breit-Wheeler nunca foi observado diretamente, embora os cientistas tenham visto processos relacionados, como a luz espalhada pela luz. Novas medições do experimento STAR no Colisor de íons pesados relativísticos do Brookhaven National Laboratory correspondem às previsões para a transformação indescritível, o físico de Brookhaven Daniel Brandenburg e seus colegas relatam na Physical Review Letters de 30 de julho.
“A ideia de que você pode criar matéria a partir da luz colidindo é um conceito interessante”, diz Brandenburg. É uma demonstração impressionante da física imortalizada na equação de Einstein E = mc2, que revelou que energia e massa são os dois lados da mesma moeda.
Se a observação realmente se qualifica depende se os fótons são considerados “reais”, conforme exigido pelo processo Breit-Wheeler, ou “virtuais”. Na física de partículas, partículas virtuais são aquelas que aparecem apenas por breves instantes e não carregam suas massas normais.
Fótons de uma fonte comum de luz, como uma lâmpada ou um laser, são reais, concordam os físicos. Mas a boa-fé de Brandenburg e os fótons de seus colegas estão em debate. Isso porque a luz que a equipe está colidindo vem de uma fonte incomum.
No Colisor Relativístico de Íons Pesados, os núcleos atômicos viajam quase à velocidade da luz antes de colidirem uns com os outros. Esses núcleos velozes são cercados por campos eletromagnéticos e esses campos têm fótons associados a eles. Normalmente, esses fótons de campos eletromagnéticos são virtuais. Mas, no experimento, os fótons agem como se fossem reais devido às altas velocidades com que os dois núcleos estão passando.
A nova evidência para o processo Breit-Wheeler vem de colisões em que os núcleos se cruzam por pouco. Nesses casos, os campos eletromagnéticos dos dois núcleos se sobrepõem e dois fótons desses campos podem colidir. Assim, os pesquisadores procuraram por quase-acidentes que cuspiram um elétron e um pósitron.
BNL
Mas, diz o co-autor do estudo Zhangbu Xu, um físico também em Brookhaven em Upton, N.Y., “a questão é como você realmente diz que eles são de fótons [reais], não de outros processos”. Para reforçar o caso de que as partículas vieram de fótons reais, os pesquisadores estudaram os ângulos entre essas partículas, que diferem dependendo da colisão de fótons reais ou virtuais. Os ângulos correspondiam às expectativas de fótons reais, sugerindo que a equipe tinha visto o processo legítimo de Breit-Wheeler.
Ainda assim, “estritamente falando”, diz o físico de partículas Lucian Harland-Lang, da Universidade de Oxford, o experimento é “meio que uma etapa removida” do verdadeiro processo Breit-Wheeler. Embora os fótons se comportem quase como se fossem reais, eles são tecnicamente virtuais.
Brandenburg e seus colegas têm uma visão diferente, semelhante a uma versão física do clássico teste do pato: se ele anda como um pato e grasna como um pato, então provavelmente é um pato. Se a realidade de um fóton se basear apenas em como ele se comporta, então esses fótons seriam reais.
E as medições dos cientistas confirmam isso, diz o físico de plasma a laser Stuart Mangles, do Imperial College London, que não estava envolvido no novo estudo: “Tudo o que eles estão medindo faz com que pareça um fóton real.” No entanto, Mangles observa que os fótons ainda são virtuais por algumas definições: Ao contrário dos fótons normais, que não têm massa, esses fótons têm massa.
Uma maneira de contornar questões espinhosas sobre a definição da realidade seria realizar esse experimento com fótons indiscutivelmente reais. Mangles e outros estão trabalhando para detectar o processo Breit-Wheeler com lasers, que produzem luz que é tão real quanto a luz que permite a leitura deste artigo. Isso, esperam os físicos, encerrará o caso da colisão de matéria geradora de luz.
Publicado em 11/08/2021 19h50
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