Crean un plasma de electrones y positrones relativistas

Los agujeros negros y las estrellas de neutrones son los objetos más densos conocidos del universo. En sus inmediaciones es común que existan plasmas. El plasma es el cuarto estado fundamental de la materia. Los otros tres son el sólido, el líquido y el gaseoso. Concretamente, los plasmas en las condiciones extremas impuestas por la cercanía de un agujero negro o una estrella de neutrones son de un tipo que se describe como plasma de pares electrón-positrón relativistas, porque están formados por un conjunto bastante igualado de electrones y positrones que vuelan a casi la velocidad de la luz. La de la luz en el vacío es la velocidad más rápida que permiten las leyes de la física. El positrón (o antielectrón) es el equivalente en antimateria al electrón. La antimateria es como la materia, pero con carga opuesta. Cuando materia y antimateria entran en contacto, se aniquilan mutuamente. Hoy en día, en el universo de manera natural la antimateria solo existe fugazmente, generándose en fenómenos de alta energía para desintegrarse un instante después.

Aunque este tipo de plasmas son habituales en muchos sitios del cosmos por causas naturales como las descritas, su producción en laboratorios de la Tierra ha sido todo un reto.

Ahora, por primera vez, un equipo internacional de científicos ha generado experimentalmente haces de plasma de pares de electrón-positrón relativistas de alta densidad, produciendo de dos a tres órdenes de magnitud más pares que en cualquier otro experimento previo de este tipo.

El logro es obra de un equipo integrado, entre otros, por Dustin Froula, de la Universidad de Rochester en Estados Unidos, y Charles Arrowsmith, de la Universidad de Oxford en el Reino Unido.

Lo conseguido por este equipo abre las puertas a realizar nuevos experimentos en esta línea de investigación que podrían aportar descubrimientos fundamentales sobre el funcionamiento del universo.

El nuevo experimento obtuvo rendimientos extremadamente altos de haces de pares de electrón-positrón casi neutros utilizando más de 100.000 millones de protones del acelerador de partículas SPS (Super Proton Synchrotron) en las instalaciones que el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) tiene dentro de un amplio terreno en la frontera franco-suiza.

Cada protón de estos tiene una energía cinética mucho mayor que su energía en reposo. Debido a ese gran impulso, cuando el protón colisiona contra un átomo, entra en escena una energía capaz de liberar los constituyentes internos del protón (quarks y gluones) que se recombinan inmediatamente para producir una lluvia de partículas que finalmente da lugar a electrones y positrones.

De izquierda a derecha, pasos básicos del proceso empleado por los investigadores para generar un plasma de electrones y positrones relativistas. Un protón (extremo izquierdo) procedente del acelerador SPS en el CERN colisiona contra núcleos de carbono (esferas grises pequeñas). Esto produce una lluvia de varias partículas elementales, incluyendo una gran cantidad de piones neutros (esferas de color naranja). Cuando los piones neutros, inestables, se desintegran, emiten dos rayos gamma de alta energía (flechas amarillas). A continuación, estos rayos gamma interactúan con el campo eléctrico de los núcleos de tantalio (esferas grises grandes), generando pares de electrón y positrón y dando lugar al plasma de electrones y positrones relativistas (extremo derecho). (Imagen: University of Rochester Laboratory for Laser Energetics / Heather Palmer)

En otras palabras, el haz que generaron en el laboratorio tenía suficientes partículas como para empezar a comportarse como una versión de pequeño tamaño de un verdadero plasma astrofísico.

El estudio se titula “Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications. (Fuente: NCYT de Amazings)