La materia no surge instantáneamente del vacío, aunque sí lo hace muy rápidamente: tarda la miltrillonésima parte de un segundo en convertirse de energía en algo «tanglble».
Una investigación liderada por la Universidad de Graz en Austria ha determinado por primera vez el tiempo exacto que tarda la energía en convertirse en materia: aproximadamente la miltrillonésima parte de un segundo.
Esta investigación se basa en una de las consecuencias de la famosa fórmula de Einstein E=mc^2, que dice que la energía y la masa son equivalentes y que se pueden convertir una en la otra.
En la fórmula, la letra «c» representa la velocidad de la luz en el vacío, que es aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo. El cuadrado de la velocidad de la luz es una cantidad muy grande, por lo que incluso pequeñas cantidades de masa pueden liberar grandes cantidades de energía.
La fórmula de Einstein ha sido verificada experimentalmente en muchas ocasiones, y se ha convertido en una de las leyes fundamentales de la física. Significa que, si se tiene suficiente energía, se puede crear materia a partir del vacío. Pero ¿cómo ocurre eso? Todavía sigue siendo un misterio, dicen los autores de esta investigación en el artículo que publican en la revista Physics Letters B.
Jugando con la energía
Matthias Diez de la Universidad de Graz y sus colegas han sido los primeros en determinar cuánto tarda la materia en formarse a partir de fuertes campos eléctricos en el vacío: estos campos crean altibajos que imitan profundos valles y altas montañas en un espacio acotado.
Si la energía de los campos eléctricos es lo suficientemente alta, los pares de partículas virtuales pueden «atravesar» las montañas y, en última instancia, convertirse en electrones y positrones de pleno derecho.
Este proceso se desarrolla por fugaces etapas, ya que en un primer momento esas partículas no adquieren suficiente entidad para conservarse como reales porque todavía no han reaccionado al campo eléctrico, algo que ocurre en una segunda fase.
Todo este desarrollo es muy rápido y difícil de observar, pero los físicos austriacos han descubierto una manera de identificar las prepartículas que están destinadas a convertirse en reales y de determinar el tiempo que transcurre antes de que se formen las partículas reales.
Cuestión de zeptosegundos
El resultado es que este tiempo es muy corto, de uno o dos zeptosegundos. Eso significa que el proceso de creación de materia no es instantáneo. Lleva su tiempo, enfatizan los investigadores en un comunicado.
Un zeptosegundo es la miltrillonésima parte de un segundo. Es decir, en un segundo hay mil trillones de zeptosegundos. El zeptosegundo se escribe como 10^-21 segundos. Es una unidad de tiempo muy pequeña, y solo se usa para medir eventos muy rápidos, como la desintegración de partículas subatómicas.
Para hacernos una idea de la fracción de tiempo que representa, un fotón tarda aproximadamente 247 zeptosegundos en atravesar una molécula de hidrógeno. Un electrón tarda 100 zs en orbitar alrededor de un núcleo atómico. La creación de materia es mucho más rápida.
Medición indirecta
Los zeptosegundos son tan pequeños que es difícil medirlos directamente. Pero los científicos han desarrollado diferentes técnicas para medirlos indirectamente, como ha sido el caso de la investigación austriaca, basada en simulaciones.
Por ejemplo, se puede medir el tiempo que tarda un fotón en atravesar una molécula de hidrógeno, y luego usar esa información para calcular el tiempo que tarda el protón en desintegrarse.
Medir los zeptosegundos es importante para comprender la física de la materia a escala subatómica. Y los científicos están desarrollando nuevas técnicas para medirlos aún más precisas: son las que han hecho posible la proeza austriaca.
Solo un láser
El nuevo experimento podría abrir posibilidades para mostrar en laboratorio la formación espontánea de materia en el vacío.
También tiene implicaciones para entender fenómenos astrofísicos como los agujeros negros o las estrellas de neutrones, donde hay campos eléctricos muy fuertes que pueden generar partículas, concluyen los investigadores.
Referencia
Identifying time scales in particle production from fields. Matthias Diez et al. Physics Letters B, Volume 844, 10 September 2023, 138063. DOI:https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.138063
