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Desde los aceleradores de partículas hasta los viajes interestelares: ¿Cómo exploran los científicos la estructura oculta de los fotones?
Entre las muchas ramas de la física, la física de dos fotones (o física gamma-gamma) es un campo de investigación relativamente nuevo. Se centra en la interacción entre dos fotones, un proceso que es crucial para comprender la naturaleza de la luz y tiene implicaciones importantes para explicar los fenómenos físicos fundamentales del universo.
Normalmente, los rayos de luz pasan unos a través de otros sin perturbaciones en el vacío, pero en las interacciones de rayos de luz de alta intensidad, las cosas son completamente diferentes.
En el vacío puro, existe una débil dispersión de la luz por parte de la luz, lo que permite a los científicos estudiar las propiedades de los fotones en determinadas condiciones. Esta interacción también puede conducir a la creación de materia a medida que aumenta la energía de la masa central. Estos descubrimientos no sólo han atraído una atención significativa en el campo de la física de partículas, sino que también han promovido una comprensión más profunda de la cosmología.
Los rayos gamma en la astronomíaEn cosmología, las interacciones fotón-fotón imponen restricciones directas al espectro de rayos gamma observado. A medida que los rayos gamma viajan a través del Universo, sus energías nunca superan los 20 GeV, lo que corresponde a longitudes de onda mayores que aproximadamente 6,2×10-11 m. A distancias mayores, este límite incluso aumenta hasta unos 20 TeV, lo que significa que en el entorno de larga distancia del universo, los rayos gamma se dispersan y atenúan en gran medida.
A medida que los fotones viajan a través del universo, interactúan con fotones de baja energía de la luz de fondo cósmica, lo que reduce su energía y puede formar pares partícula-antipartícula.
A través de estas interacciones, la visibilidad del Universo para los fotones de muy alta energía se reduce enormemente, haciendo que el Universo parezca "opaco" en escalas mayores. Estos fenómenos han llevado a los científicos a pensar profundamente sobre la relación entre los fotones y la estructura cósmica, y han surgido preguntas más profundas: ¿Cómo afectan los fotones en galaxias y supernovas tan distantes a nuestra comprensión de la evolución del universo?
Experimento y sus métodos
La investigación en física de dos fotones a menudo se basa en aceleradores de partículas de alta energía. En estos experimentos no son fotones los que se aceleran, sino partículas cargadas. Instalaciones como el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han desempeñado un papel importante en el estudio de estas interacciones.
En colisiones de alta energía, como las colisiones ultracirculares de iones pesados (UPC), los científicos pueden observar múltiples fenómenos asociados con los rayos gamma, incluida la dispersión de luz-luz.
Los electrones y positrones en estas colisiones pueden detectarse, lo que se denomina "etiquetado". Otras partículas creadas en el experimento se rastrean utilizando grandes detectores para reconstruir la física de la interacción. A través de estos experimentos, los científicos no sólo pueden observar las interacciones de los fotones, sino también explorar más a fondo la estructura interna de los fotones.
Avances en la investigación de estructuras fotónicas
Según la teoría de la electrodinámica cuántica, los fotones no pueden interactuar entre sí directamente, sino a través de procesos de orden superior. Por ejemplo, un fotón puede fluctuar en un par de partículas cargadas virtuales dentro de un cierto período de tiempo a través del principio de incertidumbre. Este proceso se convierte en la clave para comprender la estructura de los fotones.
Las interacciones de los fotones se dividen en tres categorías: interacción directa, resolución singlete y resolución doblete, que revelan el mecanismo interno de los fotones y su relación con otras partículas.
Durante la interacción directa, el fotón y los quarks dentro del fotón objetivo interactúan directamente entre sí. En el proceso de doble solución, ambos fotones formaron muones vectoriales, mostrando características de interacción más complejas. Estos hallazgos tienen profundas implicaciones para explorar los límites del Modelo Estándar y para nuevos fenómenos en la física de rayos gamma.
Exploración futura y su importancia
Con el desarrollo de la tecnología, los científicos pueden explorar la estructura oculta de los fotones más profundamente y repensar su papel y significado en el universo. En el futuro, estos estudios podrían revelar nuevos fenómenos físicos fundamentales, especialmente más información sobre la materia oscura y la evolución del universo.
En general, la física de dos fotones no sólo enriquece nuestra comprensión del mundo de las partículas, sino que también desafía nuestra comprensión del universo. Sin embargo, en una investigación tan profunda, aún podemos enfrentar más preguntas sin resolver: ¿Puede la información transportada por los fotones durante los viajes interestelares revelar los misterios profundos del universo?
