I fisici sanno che il Modello Standard spiega solo circa il 4% della materia e dell'energia nell'universo. Un nuovo studio che si concentra sulla possibilità di generare materia dalla luce, potrebbe ora avere il potenziale per portare la ricerca della fisica oltre il Modello Standard.
"Sappiamo da Einstein che l'energia può essere convertita in massa", ha detto Wei Li, professore associato di fisica e astronomia alla Rice, un fisico delle particelle che collabora con centinaia di colleghi su esperimenti presso acceleratori di particelle ad alta energia come il Large Hadron Collider (LHC) dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare e il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory.
Acceleratori come RHIC e LHC trasformano abitualmente l'energia in materia accelerando pezzi di atomi vicino alla velocità della luce e schiacciandoli l'uno contro l'altro. La scoperta nel 2012 della particella di Higgs all'LHC è un esempio notevole. A quel tempo, l'Higgs era l'ultima particella non osservata nel Modello Standard, una teoria che descrive le forze fondamentali e gli elementi costitutivi degli atomi.
"Ci sono articoli che prevedono che è possibile creare nuove particelle da queste collisioni ioniche, che abbiamo una densità così alta di fotoni in queste collisioni che queste interazioni fotone-fotone possono creare nuova fisica oltre nel Modello Standard", ha detto Li.
L'effetto analizzato dal ricercatore post-dottorato Shuai Yang, autore dell'articolo, e dai suoi colleghi, si verifica quando si accelerano i fasci opposti di ioni pesanti in direzioni opposte, puntando i fasci l'uno verso l'altro. Gli ioni sono nuclei di elementi massicci come oro o piombo, e gli acceleratori ionici sono particolarmente utili per studiare la forza forte, che lega i mattoni fondamentali chiamati quark nei neutroni e nei protoni dei nuclei atomici. I fisici hanno usato collisioni ioniche pesanti per superare queste interazioni e osservare sia quark che gluoni, le particelle quark si scambiano quando interagiscono attraverso la forza forte.
Ma i nuclei non sono le uniche cose che si scontrano negli acceleratori di ioni pesanti. I fasci ionici producono anche campi elettrici e magnetici che avvolgono ogni nucleo nel fascio con la propria nuvola di luce. Queste nubi si muovono con i nuclei, e quando le nuvole provenienti da fasci opposti si incontrano, singole particelle di luce chiamate fotoni possono incontrarsi frontalmente.
Nello studio pubblicato a luglio, Yang e i suoi colleghi hanno utilizzato i dati di RHIC per dimostrare che le collisioni fotone-fotone producono materia da pura energia. Negli esperimenti, gli smashup leggeri si sono verificati insieme a collisioni di nuclei che hanno creato una zuppa primordiale chiamata plasma di quark-gluoni, o QGP.
"Una spiegazione proposta è che l'interazione fotone-fotone apparirà diversa non a causa del plasma quark-gluone, ma perché i due ioni si avvicinano l'uno all'altro", ha detto Li. "È legato agli effetti quantistici e al modo in cui i fotoni interagiscono tra loro".
Se gli effetti quantistici avessero causato le anomalie, ha ipotizzato Yang, potrebbero creare modelli di interferenza rilevabili quando gli ioni si mancavano di poco l'un l'altro ma i fotoni delle rispettive nuvole di luce si scontravano.
La teoria ha suggerito che i modelli di interferenza quantistica da collisioni fotone-fotone ultraperiferiche dovrebbero variare in proporzione diretta alla distanza tra gli ioni che passano. Utilizzando i dati dell'esperimento Compact Muon Solenoid (CMS) dell'LHC, Yang, Li e colleghi hanno scoperto di poter determinare questa distanza, o parametro di impatto, misurando qualcosa di completamente diverso.
Yang ha detto che lo studio spiega la maggior parte delle anomalie che ha precedentemente identificato. Nel frattempo, lo studio ha stabilito un nuovo strumento sperimentale per controllare i parametri di impatto delle interazioni fotone che avranno impatti di vasta portata.
