Creare materia dalla luce, come all’origine dell’Universo: gli scienziati ci provano con un laser potentissimo

La fisica affronta la sfida più estrema: generare materia dalla luce, così come avvenne nei primi istanti di vita dell’Universo. A studiare la possibilità di una simile impresa sono i ricercatori dell’Extreme Light Infrastructure (ELI), un esperimento europeo che dispone del secondo laser più potente del mondo. L’idea è che spingendo i fasci di luce laser ad una potenza elevatissima si possa produrre per un istante coppie di particelle di materia e antimateria. E i risultati delle simulazioni, pubblicati su Physical Review Applied, dicono che si può fare.

La fisica degli estremi

La sfida dei ricercatori guidati da Alexey Arefiev dell’Università della California di San Diego ha un unico precedente: nel 1997 a Stanford un esperimento provò a ottenere materia dalla luce utilizzando, tuttavia, un fascio aggiuntivo di elettroni ad alta energia.

Il laser a disposizione di ELI è però molto più potente. Gli autori stanno cercando di creare un fascio talmente potente che il campo magnetico prodotto da questo laser sarebbe 100 milioni di volte più intenso di quello terrestre. E pertanto paragonabile a quello di una stella di neutroni, massiccia e molto compatta – fra gli oggetti celesti protagonisti, ad esempio, della generazione delle onde gravitazionali finora rilevate da Ligo e Virgo.

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100Il sistema laser a petawatt 3-HAPLS presso l’ELI Beamlines Research Center. Cortesia del Lawrence Livermore National Laboratory.

Questo campo magnetico sarebbe in grado di produrre fortissime emissioni di energia e in particolare di raggi gamma, con fotoni ad altissima energia, “luce non visibile”. Questi raggi a frequenza molto alta quando collidono generano a loro volta– per un istante – coppie di particelle di materia e antimateria, in particolare elettroni e positroni. E così sarebbe possibile produrre “materia dalla luce”.

I numeri dell’incredibile possibili solo in fisica

Il processo è complicato anche perché il campo magnetico in questione esisterebbe soltanto per 100 femtosecondi (milionesimi di miliardesimi di secondo). Un tempo inconcepibile, almeno per la mente umana, che però sarebbe sufficiente per dar luogo al processo descritto. Il laser di cui stiamo parlando, inoltre, dovrebbe raggiungere una potenza dell’ordine di diversi petawatt, comparabile a quella della radiazione del Sole sull’intera alta atmosfera terrestre.

Materia dalla luce, i primi risultati

Finora gli scienziati hanno fatto calcoli e simulazioni, ma ora le strutture e la strumentazione sono disponibili per dare il via all’esperimento con il laser quanto prima. Dalle prime simulazioni, hanno rilevato che in queste condizioni si stimola l’emissione di raggi gamma ad alta energia. Questi raggi, scontrandosi, potrebbero dar luogo alla produzione di coppie di particelle di materia e antimateria. Per questo i ricercatori pensano che una volta messa in moto la macchina dell’esperimento possano arrivare anche risultati concreti. L’obiettivo è quello di averli, se tutto andrà bene, entro due anni.

A che serve ottenere materia dalla luce

“I nostri risultati – sottolinea Alexey Arefiev dell’università della California a San Diego, che ha coordinato lo studio – mettono gli scienziati nelle condizioni di poter dimostrare, per la prima volta, uno dei processi fondamentali nell’universo”. Già perché con queste particolari caratteristiche l’esperimento imita quello che è successo nei primi istanti dell’universo. E potrebbe anche aiutare a capire perché l’antimateria è in gran parte scomparsa.

Inoltre l’esperimento aiuterà anche a studiare meglio le proprietà del laser e mostrerà se è possibile avere laser così potenti. Sparare un laser nel range dei multi-petawatt contro un bersaglio di soli cinque micrometri”, aggiunge Arefiev, “distrugge tutto”. Dopo lo sparo, il bersaglio sparisce, sottolinea il ricercatore, e non rimane nulla anche per poter misurare quanto era potente. Ma se nell’esperimento saranno prodotti raggi gamma e particelle di materia e antimateria, da queste si potrà risalire anche alle proprietà smarrite del fascio laser.

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Foto di Gerd Altmann da Pixabay

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