Creare materia e antimateria con la luce

Creare materia ed antimateria con l’aiuto di un laser? E’ quello che un team di riceratori dell’Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences (IAP RAS) ha annunciato di essere riuscito a calcolare come fare, proprio per mezzo di impulsi laser ad alta energia.

La luce è costituita da fotoni ad alta energia. Quando questi passano attraverso dei campi elettrici molto forti, perdono una quantità di radiazione tale da diventare raggi gamma e creare delle coppie elettrone-positrone.

Igor Kostyukov della IAP RAS ha rivelato: “Un forte campo elettrico può, in generale, ‘far bollire il vuoto’ che è pieno di ‘particelle virtuali’, come coppie elettrone-positrone. Il campo può convertire questo tipo di particelle da uno stato virtuale, in cui le particelle non sono direttamente osservabili, ad uno stato reale. Kostyukov ha affermato di aver basato i propri calcoli sul concetto di elettrodinamica quantistica (QED).

Una cascata QED è costituita da una serie di processi che cominciano con l’accelerazione di elettroni e positroni all’interno di un campo laser. Questo viene seguito dal rilascio di fotoni ad alta energia, elettroni e positroni. Nel momento in cui i fotoni ad alta energia decadono, producono coppie elettrone-positrone. In pratica una cascata QED porta alla produzione di un plasma di elettroni, positroni e fotoni ad alta energia e mentre è possibile spiegare esattamente il fenomeno, si tratta di una teoria che non è ancora stata osservata in ambiente di laboratorio.

Sulla base di questo le ricerche hanno osservato quanto degli impulsi di laser ad alta intensità potrebbero interagire con una lamina tramite simulazioni numeriche. Sorprendentemente, si è scoperto che c’erano più fotoni ad alta energia prodotti dai positroni rispetto agli elettroni prodotti nella lamina. E potendo produrre un numero massiccio di positroni con un esperimento corrispondente, si può concludere che la maggior parte è stata generata tramite una cascata QED.

Le implicazioni

Questa scoperta può aprire nuove vie in termini di quanto si possa produrre materia e antimateria in maniera efficiente e contenuta nei costi. L’antimateria potrebbe costituire un cambiamento significativo nel modo in cui possiamo fornire una propulsione alle navi spaziali.

Come è stato precedentemente evidenziato, la produzione di questa potenziale fonte di energia non è economica: “Il problema sta nell’efficienza e nel costo della produzione e dello stoccaggio dell’antimateria. Produrre 1 grammo di antimateria richiederebbe circa 25 milioni di miliardi di kilowatt/ora di energia e un costo di più di un milione di miliardi di dollari.” Questo lavoro ci offre una nuova soluzione.

Lo studio offre inoltre uno sguardo più approfondito nelle proprietà di differenti tipi di interazione che possano eventualmente aprire la strada per applicazioni pratiche, compreso lo sviluppo di sorgenti laser al plasma  di fotoni e positroni ad alta energia che superino la lucentezza di qualsiasi sorgente abbiamo a disposizione oggi.

“Infine, stiamo esplorando lo stadio non lineare quando il plasma autogenerato di elettroni-positroni modifica fortemente l’interazione” ha aggiunto il ricercatore. “E stiamo anche cercando di espandere i nostri risultati su ulteriori configurazioni di interazione laser-materia, prendendo in considerazione una gamma più ampia di parametri.”

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