Físicos descobrem como transformar luz em matéria

Pesquisadores propõem a construção de um experimento capaz de transformar fótons em matéria, o que demonstraria um dos aspectos da teoria da relatividade de Einstein. Imagem: Shutterstock/Elenamiv

Cientistas demonstraram como a luz pode ser transformada em matéria, feito inimaginável há 80 anos, quando a hipótese foi inicialmente sugerida.

Ao investigar problemas com a obtenção de energia a partir da fusão nuclear, um grupo de físicos do Imperial College London e do Instituto Max Planck de Física Nuclear observou que poderia aplicar seu estudo à experimentação de uma teoria que existia há décadas e que, embora matematicamente bem fundamentada, segue sem ser testada empiricamente: em 1934, os cientistas Gregory Breit e John Wheeler propuseram que a luz poderia ser convertida em matéria a partir da colisão de dois fótons (fotões).

A teoria de Breit-Wheeler prevê que a colisão entre duas partículas que compõem a luz — os fótons — cria um elétron (eletrão) e um pósitron (positrão), antipartícula do elétron de massa igual à deste, mas com carga elétrica positiva. O método sugerido é teoricamente simples, porém, Breit e Wheeler nunca esperaram que alguém pudesse demonstrá-lo e, de fato, o fenômeno da transformação da luz em massa jamais foi demonstrado em laboratório até o presente.

Trabalhando no Blackett Physics Laboratory, do Departamento de Física da universidade londrina, o pesquisador Oliver Pike e seus colegas levaram a teoria quase octogenária a um mecanismo para experimentação, tendo descrito o método empregado no periódico Nature Photonics.

No laboratório, um laser extremamente poderoso aceleraria elétrons a uma velocidade ligeiramente inferior à da luz. Então, esses elétrons atingiriam uma placa de ouro, gerando um feixe de fótons cerca de um bilhão de vezes mais energético do que a luz visível. Na outra ponta do experimento, outro laser de alta intensidade seria disparado em direção à superfície de um pequeno recipiente de ouro chamado hohlraum (palavra alemã que significa “área oca”, ou “cavidade”), criando um campo de irradiação térmica (transmissão de calor sob a forma de ondas eletromagnéticas) do qual resultaria luz semelhante à emitida pelas estrelas.

Esquematização descrita pelos pesquisadores.

Em seguida, o feixe de fótons da primeira parte do experimento seria direcionado para a cavidade do hohlraum, levando os fótons das duas fontes a colidirem e “darem à luz” elétrons e pósitrons. Os cálculos dos pesquisadores sugerem que, na saída do recipiente de ouro, poderiam ser detectados até 100 mil pares elétron-pósitron em um único teste.

“Apesar de todos os físicos aceitarem que a teoria é verdadeira, quando Breit e Wheeler primeiro a propuseram, disseram nunca esperar que ela fosse demonstrada em laboratório”, afirma Steve Rose, membro da equipe de criação do experimento, que acrescenta: “[h]oje, quase 80 anos depois, provamos que eles estavam errados”.

Oliver Pike, que está completando seu PhD em física de plasma, considera a teoria da transformação da luz em matéria “conceitualmente simples”, entretanto, tem sido difícil verificá-la experimentalmente. “A corrida para conduzir e completar o experimento começou!”, exclama.

Caso seja bem-sucedido, o colisor de fótons recriaria um processo importante nos primeiros 100 segundos do nosso universo e observado em erupções de raios gama. Ainda, o processo Breit-Wheeler “é o modo mais simples como a matéria pode ser produzida a partir da luz, e uma das mais puras demonstrações [da equação] E = mc²“, aponta Pike, o que serviria para demonstrar a teoria da relatividade de Einstein, segundo a qual (entre outras coisas) matéria e energia são equivalentes. A equipe planeja executar o experimento proposto no próximo ano.