Nel caso in cui non te ne accorgessi, i fotoni sono minuscoli pezzetti di luce. In effetti, sono il più piccolo pezzo di luce possibile. Quando accendi una lampada, un numero gigantesco di fotoni sgorga da quel bulbo e ti sbatte contro i tuoi occhi, dove vengono assorbiti dalla tua retina e trasformati in un segnale elettrico in modo che tu possa vedere cosa stai facendo.
Quindi, puoi immaginare quanti fotoni ti circondano contemporaneamente. Non solo dalle luci della tua stanza, ma anche i fotoni scorrono attraverso la finestra dal sole. Perfino il tuo stesso corpo genera fotoni, ma fino in fondo nelle energie a infrarossi, quindi hai bisogno di occhiali per la visione notturna per vederli. Ma sono ancora lì.
E, naturalmente, tutte le onde radio e i raggi ultravioletti e tutti gli altri raggi bombardano costantemente te e tutto il resto con un flusso infinito di fotoni.
Sono fotoni ovunque.
Questi piccoli pacchetti di luce non dovrebbero interagire tra loro, essenzialmente senza "consapevolezza" dell'esistenza degli altri. Le leggi della fisica sono tali che un fotone passa semplicemente da un altro con zero interazione.
Questo è quello che pensavano i fisici, almeno. Ma in un nuovo esperimento all'interno del più potente smasher atomico del mondo, i ricercatori hanno intravisto l'impossibile: i fotoni si scontrano l'un l'altro. La presa? Questi fotoni erano un po 'fuori dal loro gioco, nel senso che non si stavano comportando come se stessi e invece erano temporaneamente diventati "virtuali". Studiando queste interazioni super rare, i fisici sperano di rivelare alcune delle proprietà fondamentali della luce e forse anche di scoprire nuove fisiche ad alta energia, come grandi teorie unificate e (forse) supersimmetria.
Un tocco leggero
Di solito, è una buona cosa che i fotoni non interagiscano tra loro o rimbalzino l'un l'altro, perché sarebbe un manicomio totale con i fotoni che non vanno mai da nessuna parte in qualsiasi tipo di linea retta. Quindi, per fortuna, due fotoni semplicemente scivoleranno l'uno dall'altro come se l'altro non esistesse.
Cioè, il più delle volte.
In esperimenti ad alta energia, possiamo (con un sacco di grasso al gomito) ottenere due fotoni per colpire l'un l'altro, anche se ciò accade molto raramente. I fisici sono interessati a questo tipo di processo perché rivela alcune proprietà molto profonde della natura della luce stessa e potrebbe aiutare a scoprire qualche fisica inaspettata.
I fotoni interagiscono così raramente tra loro perché si connettono solo con particelle che hanno cariche elettriche. È solo una di quelle regole dell'universo in cui dobbiamo vivere. Ma se questa è la regola dell'universo, come potremmo mai avere due fotoni, che non hanno alcun costo, per connettersi tra loro?
Quando un fotone non lo è
La risposta si trova in uno degli aspetti più imperscrutabili eppure deliziosi della fisica moderna, e prende il nome funky dell'elettrodinamica quantistica.
In questa immagine del mondo subatomico, il fotone non è necessariamente un fotone. Beh, almeno, non è sempre un fotone. Particelle come elettroni e fotoni e tutti gli altri -oni si muovono continuamente avanti e indietro, cambiando identità mentre viaggiano. All'inizio sembra confuso: come potrebbe, per esempio, un raggio di luce essere qualcosa di diverso da un raggio di luce?
Per capire questo comportamento stravagante, abbiamo bisogno di espandere un po 'la nostra coscienza (per prendere in prestito un'espressione).
Nel caso dei fotoni, mentre viaggiano, ogni tanto (e tenere presente che questo è estremamente, estremamente raro), si può cambiare idea. E invece di essere solo un fotone, può diventare una coppia di particelle, un elettrone caricato negativamente e un positrone caricato positivamente (il partner antimateria dell'elettrone), che viaggiano insieme.
Sbatti le palpebre e ti mancherà, perché il positrone e l'elettrone si troveranno l'un l'altro e, come accade quando la materia e l'antimateria si incontrano, si annichilano, cadono. La coppia dispari tornerà in un fotone.
Per vari motivi che sono troppo complicati per entrare in questo momento, quando ciò accade, queste coppie sono chiamate particelle virtuali. Basti dire che in quasi tutti i casi non riesci mai a interagire con le particelle virtuali (in questo caso, il positrone e l'elettrone), e puoi solo parlare con il fotone.
Ma non in tutti i casi.
Una luce nel buio
In una serie di esperimenti condotti dalla collaborazione ATLAS presso il Large Hadron Collider sotto il confine franco-svizzero e recentemente sottoposti alla rivista di prestampa online arXiv, il team ha trascorso troppo tempo a sbattere i nuclei di piombo a vicenda quasi alla velocità della luce . Tuttavia, in realtà non hanno permesso alle particelle di piombo di colpire l'un l'altro; invece, i bit sono appena arrivati molto, molto, molto, molto vicini.
In questo modo, invece di dover affrontare un gigantesco pasticcio di una collisione, tra cui molte particelle, forze ed energie extra, gli atomi di piombo interagivano semplicemente attraverso la forza elettromagnetica. In altre parole, hanno appena scambiato molti fotoni.
E ogni tanto - estremamente, incredibilmente raramente - uno di quei fotoni si trasforma per breve tempo in una coppia composta da un positrone e un elettrone; quindi, un altro fotone vedrebbe uno di quei positroni o elettroni e ne parlerebbe. Si verificherà un'interazione.
Ora, in questa interazione, il fotone si imbatte semplicemente in un elettrone o in un positrone e si avvia sulla sua strada allegra senza alcun danno. Alla fine, quel positrone o elettrone trova il suo compagno e ritorna ad essere un fotone, quindi il risultato di due fotoni che si colpiscono l'un l'altro sono solo due fotoni che si rimbalzano. Ma che siano riusciti a parlarsi è davvero straordinario.
Quanto è notevole? Bene, dopo trilioni e trilioni di collisioni, la squadra ha rilevato un totale di 59 potenziali incroci. Solo 59.
Ma cosa ci dicono queste 59 interazioni sull'universo? Per uno, convalidano questa immagine che un fotone non è sempre un fotone.
E scavando nella natura quantistica di queste particelle, potremmo imparare qualche nuova fisica. Ad esempio, in alcuni modelli fantasiosi che spingono i confini della fisica delle particelle nota, queste interazioni di fotoni si verificano a velocità leggermente diverse, dandoci potenzialmente un modo per esplorare e testare questi modelli. Al momento non disponiamo di dati sufficienti per distinguere tra questi modelli. Ma ora che la tecnica è stata stabilita, potremmo fare qualche passo avanti.
E dovrai scusare l'ovvio gioco di parole qui, ma speriamo presto di far luce sulla situazione.
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di "Chiedi a un astronauta" e "Space Radio,"e autore di"Il tuo posto nell'universo."
