L’esperimento per ottenere materia dalla luce

Oliver Pike è un fisico del Blackett Laboratory presso l’Imperial College di Londra, Regno Unito, e insieme ad alcuni suoi colleghi si è messo in testa di ottenere la materia utilizzando solamente fasci di luce. In un suo studio pubblicato su Nature Photonics, Pike spiega di avere trovato il modo di farlo e risolvere così una delle più grandi e affascinanti sfide della fisica moderna, su cui si sono scervellati per decenni molti ricercatori in giro per il mondo. La ricerca spiega come si può fare per ottenere la materia dalla luce: manca ancora il passaggio alla pratica, che secondo i fisici del Blackett Laboratory sarà effettuato entro i prossimi 12 mesi.

Steven Rose, uno dei ricercatori che ha firmato lo studio, ha detto al Guardian di avere “dimostrato in linea di principio che si può ottenere la materia dalla luce: facendo l’esperimento sarà possibile provarlo”. L’obiettivo del gruppo di fisici per ora non è naturalmente trarre dalla luce qualcosa di visibile a occhio nudo: l’esperimento, ammesso funzioni, poterà alla creazione di particelle subatomiche, componenti essenziali per formare tutte le cose che ci stanno intorno e noi stessi.

Tra i primi a ipotizzare che si potesse ottenere la materia dalle particelle di luce, cioè i fotoni, ci furono i fisici statunitensi Gregory Breit e John Wheeler. Negli anni Trenta del Novecento scoprirono che due fotoni in alcune circostanze si possono combinare tra loro portando alla formazione di un elettrone e di un positrone (l’antiparticella dell’elettrone). Gli elettroni sono particelle subatomiche e, semplificando, possono essere considerati il “guscio” degli atomi.

Nel loro studio, Breit e Wheeler scrissero che comunque la loro teoria sarebbe stata molto difficile da dimostrare nella pratica. Scrissero che produrre l’interazione tra i due fotoni non era per nulla semplice e che provare a realizzarla in laboratorio, per lo meno con i mezzi dell’epoca, era una cosa senza speranza. Secondo molti, quella di Breit e Wheeler è tra le migliori teorie formulate per dimostrare la famosa equazione E=mc² di Albert Einstein, che stabilisce l’equivalenza e il fattore con cui avviene la conversione tra energia e massa in un sistema (la “c” indica la costante della velocità della luce, la “m” la massa di un corpo ed “E” l’energia contenuta o emessa dallo stesso corpo).

Il problema di ottenere la materia dai fotoni nei decenni seguenti fu affrontato da diversi ricercatori. Nel 1997 lo Stanford Linear Accelerator Center in California ci andò molto vicino, ma per ottenere il risultato previsto dalla teoria di Breit e Wheeler i fisici dovettero introdurre nel sistema alcune particelle che già avevano una massa. La novità del Blackett Laboratory sta nel fatto che il nuovo processo prevede il solo utilizzo di fotoni: luce e basta, insomma.

Nella ricerca pubblicata su Nature Photonics, Pike e colleghi spiegano come intendono raggiungere il loro obiettivo. In una prima fase si bombarda una placca d’oro con un fascio di elettroni per produrre un raggio di fotoni ad alta energia. Separatamente, un laser ad alta energia viene indirizzato verso una capsula cava d’oro, portando all’emissione di un raggio di luce molto intenso paragonabile a quella emessa dalle stelle. Infine, il primo fascio di fotoni viene indirizzato verso la capsula, facendo in modo che i fotoni collidano tra loro producendo gli elettroni. Il processo, scrivono i ricercatori, porta alla produzione di circa 100mila coppie di elettroni/positroni.

Oggi esistono diversi centri di ricerca in giro per il mondo che hanno le capacità e le strumentazioni necessarie per portare dalla teoria alla pratica il metodo proposto dai fisici del Blackett Laboratory. Nello studio non si specifica quale centro sarà utilizzato, ma diverse organizzazioni potrebbero essere interessate a condurre l’esperimento. Dal suo esito si potrebbero ottenere nuove informazioni per capire meglio i rapporti tra energia e materia, fondamentali per l’esistenza, di tutto.