El proceso Breit-Wheeler o producción de pares Breit-Wheeler es un proceso físico propuesto en el que se crea un par positrón - electrón a partir de la colisión de dos fotones . Es el mecanismo más simple por el cual la luz pura puede transformarse potencialmente en materia. El proceso puede tomar la forma γ γ′ → e + e − donde γ y γ′ son dos cuantos de luz (por ejemplo, fotones gamma ). [1]
El proceso Breit-Wheeler multifotón , también denominado Breit-Wheeler no lineal o Breit-Wheeler de campo fuerte en la literatura, ocurre cuando un fotón de sonda de alta energía se desintegra en pares que se propagan a través de un campo electromagnético fuerte (por ejemplo, un pulso láser ). [2] A diferencia del proceso lineal, esto puede tomar la forma de γ + n ω → e + e − , donde n representa el número de fotones y ω representa el campo láser coherente.
El proceso inverso, e + e − → γ γ′, en el que un electrón y un positrón chocan y se aniquilan para generar un par de fotones gamma, se conoce como aniquilación electrón-positrón o proceso de Dirac [3], por el nombre del físico que lo describió teóricamente por primera vez y anticipó el proceso de Breit-Wheeler.
Este mecanismo se caracteriza teóricamente por una probabilidad muy débil, por lo que producir un número significativo de pares requiere dos fuentes de fotones colimadas extremadamente brillantes que tengan una energía fotónica cercana o superior a la energía de masa en reposo del electrón y el positrón . La fabricación de una fuente de este tipo, por ejemplo, un láser de rayos gamma , sigue siendo un desafío tecnológico. En muchas configuraciones experimentales, el Breit-Wheeler puro está dominado por otros procesos de creación de pares más eficientes que filtran los pares producidos mediante este mecanismo. [2] [4] [5] El proceso de Dirac ( aniquilación de pares ), por otro lado, ha sido ampliamente verificado. Este también es el caso del Breit-Wheeler multifotón, que se observó en el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford en 1997 al colisionar electrones de alta energía con un pulso láser de teravatios que se propagaba en contra. [6] [7]
Aunque este mecanismo sigue siendo uno de los más difíciles de observar experimentalmente en la Tierra, es de considerable importancia para la absorción de fotones de alta energía que viajan distancias cósmicas. [8] [9] [5]
Los procesos fotón-fotón y multifotón de Breit-Wheeler se describen teóricamente mediante la teoría de la electrodinámica cuántica .
El proceso fotón-fotón de Breit-Wheeler fue descrito teóricamente por Gregory Breit y John A. Wheeler en 1934 en Physical Review . [1] Siguió el trabajo teórico previo de Paul Dirac [3] sobre la antimateria y la aniquilación de pares. En 1928, el trabajo de Paul Dirac propuso que los electrones podrían tener estados de energía positivos y negativos siguiendo el marco de la teoría cuántica relativista, pero no predijo explícitamente la existencia de una nueva partícula.
Aunque el proceso es una de las manifestaciones de la equivalencia masa-energía , hasta 2017, el Breit-Wheeler puro nunca había sido observado en la práctica debido a la dificultad de preparar haces de rayos gamma en colisión y a la muy baja probabilidad de este mecanismo. Recientemente, diferentes equipos han propuesto novedosos estudios teóricos sobre posibles configuraciones experimentales para finalmente observarlo en la Tierra.
En 2014, los físicos del Imperial College de Londres propusieron una forma relativamente sencilla de demostrar físicamente el proceso Breit-Wheeler. [10] El experimento del colisionador que propusieron los físicos implica dos pasos clave. En primer lugar, utilizarían un láser de alta intensidad extremadamente potente para acelerar los electrones a casi la velocidad de la luz. Luego dispararían estos electrones en una placa de oro para crear un haz de fotones mil millones de veces más energéticos que los de la luz visible. La siguiente etapa del experimento implica una pequeña lata de oro llamada hohlraum (en alemán, "habitación vacía" o "cavidad"). Los científicos dispararían un láser de alta energía a la superficie interior de este hohlraum para crear un campo de radiación térmica. Luego dirigirían el haz de fotones de la primera etapa del experimento a través del centro del hohlraum, lo que haría que los fotones de las dos fuentes colisionaran y formaran electrones y positrones. Entonces sería posible detectar la formación de electrones y positrones cuando salieran de la lata. [10] Las simulaciones de Monte Carlo sugieren que esta técnica es capaz de producir del orden de 10 5 pares Breit-Wheeler en un solo disparo. [11] [12]
En 2016, se propuso teóricamente una segunda configuración experimental novedosa [4] para demostrar y estudiar el proceso Breit-Wheeler mediante la colisión de dos fuentes de fotones de alta energía (compuestas por fotones no coherentes de rayos X y rayos gamma) generados a partir de la interacción de dos láseres extremadamente intensos sobre láminas delgadas sólidas o chorros de gas. Los próximos láseres de pulso corto extremadamente intensos, la interacción del láser con el objetivo sólido será el lugar de fuertes efectos radiativos impulsados por la dispersión cuántica inversa no lineal. Este efecto, insignificante hasta ahora, se convertirá en un mecanismo de enfriamiento dominante para los electrones extremadamente relativistas acelerados por encima del nivel de 100 MeV en la interfaz láser-sólido a través de diferentes mecanismos.
El proceso multifotón Breit-Wheeler ya se ha observado y estudiado experimentalmente. Una de las configuraciones más eficientes para maximizar la producción de pares multifotón Breit-Wheeler consiste en hacer colisionar de frente un haz de fotones gamma con un pulso láser de intensidad ultraalta que se propaga en contra (o con un ligero ángulo de colisión, siendo la configuración de copropagación la menos eficiente). Para crear primero los fotones y luego tener la producción del par en una configuración todo en uno, se puede utilizar la configuración similar haciendo colisionar electrones de GeV . Dependiendo de la intensidad del láser, estos electrones primero irradiarán fotones gamma a través del llamado mecanismo de dispersión Compton inversa no lineal al interactuar con el pulso láser. Aún interactuando con el láser, los fotones se convierten en pares electrón-positrón multifotón Breit-Wheeler.
Este método se utilizó en 1997 en el Stanford Linear Accelerator Center . Los investigadores pudieron llevar a cabo el proceso multifotón Breit-Wheeler utilizando electrones para crear primero fotones de alta energía, [13] que luego sufrieron múltiples colisiones para producir electrones y positrones, todo dentro de la misma cámara. [6] [7] [14] Los electrones se aceleraron en el acelerador lineal a una energía de 46,6 GeV antes de ser enviados de frente a un láser polarizado lineal de neodimio (Nd: vidrio) de intensidad 10 18 W/cm 2 ( amplitud máxima del campo eléctrico de alrededor de 6×10 9 V/m), de longitud de onda 527 nanómetros y duración 1,6 picosegundos. En esta configuración, se ha estimado que se generaron fotones de energía de hasta 29 GeV. Esto condujo al rendimiento de 106 ±14 positrones con un amplio espectro de energía en el nivel de GeV (pico alrededor de 13 GeV).
El experimento mencionado anteriormente puede reproducirse en el futuro en SLAC con tecnologías láser más potentes. El uso de intensidades láser más altas (10 20 W/cm 2 ) ahora se puede lograr fácilmente con soluciones láser de titanio-zafiro de pulso corto que mejorarían significativamente las eficiencias del proceso (creación de pares no lineales de Compton inverso y Breit-Wheeler no lineales) lo que llevaría a una producción de antimateria varios órdenes de magnitud mayor, lo que permitiría mediciones de mayor resolución, desplazamiento de masa adicional, así como efectos no lineales y de espín. [15]
Las intensidades extremas que se espera que estén disponibles en los futuros sistemas láser multi-petavatios permitirán experimentos de colisión láser-electrón totalmente ópticos donde el haz de electrones se genera a partir de la interacción directa del láser con un chorro de gas en un régimen denominado de aceleración de campo de estela láser . Luego, el haz de electrones resultante se hace interactuar con un segundo láser de alta potencia para estudiar los procesos QED. La viabilidad de un esquema de producción de pares Breit-Wheeler multifotón totalmente óptico se ha propuesto teóricamente por primera vez en [16]. La implementación de este esquema está restringida a instalaciones láser de intensidad extrema de pulso corto de haz múltiple como los sistemas CILEX-Apollon [17] y ELI [18] (tecnología de zafiro de titanio CPA a 0,8 micrómetros, duración de 15-30 femtosegundos). La generación de haces de electrones de pocos GeV y pocos nanoculombios es posible con un primer láser de 1 petavatio combinado con el uso de perfiles de densidad de chorro de gas sintonizados y optimizados como los perfiles de dos pasos. La generación de pares fuertes se puede lograr al colisionar de frente este haz de electrones con un segundo láser de intensidad superior a 10 22 W/cm 2 . En esta configuración a este nivel de intensidad, los estudios teóricos predicen que se podrían producir varios cientos de picoculombios de antimateria. [19] Esta configuración experimental podría incluso ser una de las fábricas de producción de positrones más prolíficas. Este escenario completamente óptico puede probarse preliminarmente con intensidades de láser más bajas del orden de 10 21 W/cm 2 .
En julio de 2021, el detector STAR, uno de los cuatro experimentos del Colisionador de Iones Pesados Relativistas, informó de evidencia consistente con el proceso, aunque no estaba claro si se debía a fotones sin masa o fotones virtuales masivos; también se estudió la birrefringencia del vacío obteniendo evidencia suficiente para afirmar la primera observación conocida del proceso. [20] [21] [22]
La producción directa de pares electrón-positrón en colisiones de dos fotones, el proceso Breit-Wheeler, es uno de los procesos básicos del universo. Sin embargo, nunca se ha observado directamente en el laboratorio debido a la ausencia de fuentes de rayos gamma lo suficientemente intensas.