Chinos planean construir un láser tan potente que podría romper el vacío

Kan Zhan

Un equipo de científicos chinos liderado por el físico Ruxin Li está trabajando en un láser tan potente que podría “romper el vacío” y generar materia de la nada. De acuerdo a lo informado por ScienceMag, este láser llamado Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF, por sus siglas en inglés), será el más potente del mundo.

En el corazón de SULF, se encuentra un único cilindro de zafiro cubierto con titanio y que tiene el ancho de un plato. Después de encender la luz en el cristal y pasarlo a través de un sistema de lentes y espejos, el SULF generará pulsos latentes de un poder alucinante.

Ya en 2016, los mismos científicos habían probado el láser alcanzando los 5,3 petavatios, una cifra jamás lograda hasta entonces. Aunque sus pulsaciones son extraordinariamente poderosas, son muy breves, ya que duran menos de una billonésima parte de segundo.

Ahora, los científicos esperan doblar su propio récord antes de finales de este año y alcanzar los 10 petavatios, lo cual significa un poder mil veces mayor al que generan todas las redes eléctricas del mundo juntas.

Un láser más potente

Pero las ambiciones de Ruxin Li y sus compañeros van más allá: han empezado a construir en una cámara a 20 metros de profundidad la Estación de Luz Extrema (SEL, por sus siglas en inglés), un láser que alcanzará los 100 petavatios, y estaría listo para 2023.

Los láseres de esta potencia se usan para probar nuevos materiales o teorías de la física de partículas, pero el SEL es tan poderoso que no se sabe muy bien lo que puede hacer. Los físicos creen que podría servir para manipular reacciones nucleares de formas completamente desconocidas en una rama nueva de la física a la que llaman fotónica nuclear.

Además, este láser podría ser utilizado para acelerar las partículas para su uso en medicina y física. Li pretende demostrar que el láser puede desgarrar los electrones y los positrones del espacio vacío. 

Creando materia “de la nada”

De acuerdo con la teoría de la electrodinámica cuántica (QED), que describe cómo los campos electromagnéticos interactúan con la materia, el vacío no es tan vacío como la física clásica nos dice. En escalas de tiempo extremadamente cortas, aparecen pares de electrones y positrones (sus contrapartes de antimateria, los cuales nacen de la incertidumbre de la mecánica cuántica). Debido a su atracción, se aniquilan mutuamente casi tan pronto como se forman.

Pero un láser muy intenso podría, en principio, separar las partículas antes de que colisionen. Al igual que cualquier onda electromagnética, un rayo láser contiene un campo eléctrico que se mueve hacia adelante y hacia atrás. A medida que aumenta la intensidad del rayo, también lo hace la fuerza de su campo eléctrico.

A intensidades alrededor de 1024 W/cm2, el campo sería lo suficientemente fuerte como para comenzar a romper la atracción mutua entre algunos de los pares electrón-positrón, dice Alexander Sergeev, ex director del Instituto de Física Aplicada de la Academia Rusa de Ciencias (RAS) en Nizhny Novgorod y ahora presidente de RAS.

El campo láser sacudiría las partículas, lo que provocaría que emitieran ondas electromagnéticas, en este caso, rayos gamma. Los rayos gamma, a su vez, generarían nuevos pares electrón-positrones, y así sucesivamente, lo que daría como resultado una avalancha de partículas y radiación que podrían detectarse.


Amplificadores de la Universidad de Rochester
Universidad de Rochester / Laboratorio de Energética de Laser

"Esta será una física completamente nueva", dice Sergeev, quien agrega que los fotones de rayos gamma serían lo suficientemente enérgicos como para empujar a los núcleos atómicos a estados excitados, dando paso a una nueva rama de la física conocida como "fotónica nuclear": el uso de luz intensa para controlar los procesos nucleares.

Una forma de romper el vacío sería simplemente enfocar un único rayo láser en un lugar vacío dentro de una cámara de vacío. Pero colisionar dos haces lo hace más fácil, porque esto aumenta el impulso necesario para generar la masa de electrones y positrones. El SEL colisionaría fotones indirectamente. Primero, los pulsos expulsarían electrones de un objetivo de gas de helio. Otros fotones del rayo láser rebotarían en los electrones y se convertirían en rayos gamma de alta energía. Algunos de estos a su vez colisionarían con fotones ópticos del haz.

De ser exitosos, sería una ilustración sorprendente que la materia y la energía son intercambiables, como dice la famosa ecuación E=mc2 de Albert Einstein. Aunque las armas nucleares dan fe de la conversión de la materia en inmensas cantidades de calor y luz, hacer lo contrario no es tan fácil. Pero Li dice que el SEL está a la altura de la tarea. "Eso sería muy emocionante. Significaría que podrías generar algo de la nada", explica.

No están solos en la carrera

Aunque el grupo de investigadores chino está llevando la delantera en la carrera por la construcción del láser más potente del mundo, tiene una fuerte competencia. La institución europea Extreme Light Infrastructure (ELI) también planea construir un dispositivo de 100 petavatios.

Por su parte, Japón y Rusia están haciendo lo propio. Mientras que el segundo ha anunciado la construcción del Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), un láser de 180 petavatios, la nación nipona quieren elaborar un dispositivo cuya capacidad sea de 30 petavatios.

El único que parece haberse quedado atrás en esta carrera es EE.UU, ya que sus científicos solo están desarrollando planes para fabricar un láser de 75 petavatios, muy lejos de las intenciones chinas, europeas o rusas.

 

Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma

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