Le particelle vengono create dal nulla in un lampo
Forti campi elettrici possono rimuovere le particelle dal vuoto. Ma quanto tempo impiegano per farlo? Nuovi calcoli forniscono una risposta e potrebbero aiutare a comprendere meglio le fluttuazioni quantistiche nel loro complesso.
Quando si fanno passare forti campi elettrici attraverso il vuoto, si creano delle particelle. Tuttavia, ciò non avviene immediatamente, ma richiede un po' di tempo. Matthias Diez e Reinhard Alkofer dell'Università di Graz e Christian Kohlfürst del Centro Helmholtz di Dresda-Rossendorf hanno ora calcolato la velocità con cui le particelle emergono dal nulla. In questo modo, hanno chiarito una questione aperta nella fisica teorica.
Le coppie "virtuali" di elettroni e le loro antiparticelle, i positroni, ronzano costantemente nello spazio vuoto. Il termine virtuale significa che normalmente si annichiliscono a vicenda immediatamente prima di diventare particelle reali. Queste particelle esistono quindi matematicamente solo su scale temporali e spaziali minime, sotto forma di fluttuazioni quantistiche. Tuttavia, un forte campo elettrico può trasformare questi oggetti matematici in realtà. Questo perché gli elettroni e i positroni sono carichi e le coppie virtuali si allineano in un campo come piccoli dipoli. Se il campo è sufficientemente intenso, la coppia viene letteralmente fatta a pezzi prima che l'elettrone e il positrone possano annichilirsi di nuovo. Il fenomeno è chiamato effetto Schwinger, dal nome del premio Nobel Julian Schwinger, che lo ha descritto teoricamente nel 1951
Per ottenere questo effetto, però, il campo elettrico deve essere estremamente intenso. Per questo motivo, gli esperimenti non sono ancora riusciti a trasformare le particelle virtuali in coppie di oscillatori reali. Tuttavia, gruppi di ricerca di tutto il mondo si stanno gradualmente avvicinando alle densità energetiche necessarie utilizzando laser ad alta potenza. Il loro obiettivo è quello di verificare le previsioni dell'elettrodinamica quantistica, la teoria fondamentale che descrive questi processi. Sebbene le energie coinvolte siano enormi, la produzione di coppie nei campi elettrici gioca un ruolo importante in molte aree della fisica, da ai processi nei solidi, alle condizioni estreme che circondano i buchi neri e altri oggetti astrofisici, fino alla fisica del plasma, che svolge un ruolo importante nella lo sviluppo di centrali elettriche a fusione. Tuttavia, la robustezza della fisica del plasma è un argomento che non può essere ignorato. Tuttavia, per le applicazioni sono necessarie previsioni solide e un dettaglio dell'effetto Schwinger è rimasto finora poco chiaro: A che velocità si creano le particelle? Secondo Diez, Alkofer e Kohlfürst nella loro pubblicazione, questa domanda fondamentale riguarda da un lato il modo in cui interpretiamo il tempo sulla scala quantistica e dall'altro potrebbe avere un impatto concreto "su tutte le aree di ricerca che coinvolgono la nascita di quasiparticelle".
Per i loro calcoli teorici, i tre fisici hanno sviluppato un modello semplificato in meno dimensioni, che ha reso più facile identificare il momento di separazione delle due cariche. Oltre alle particelle virtuali e reali previste dalle consuete descrizioni teoriche, hanno introdotto anche un terzo tipo di particelle: le pre-particelle, il cui destino è quello di diventare, per così dire, particelle reali. In questo modo è stato possibile eliminare i segnali insignificanti causati da altre fluttuazioni quantistiche o dalle fluttuazioni del campo elettrico stesso. Le pre-particelle vengono accelerate rapidamente nel campo forte e presto emergono come un segnale chiaro, come una vera e propria particella.
In questo modo, Diez, Alkofer e Kohlfürst hanno calcolato una scala temporale in cui l'elettrone e il positrone si materializzano. A causa dei campi elettrici estremamente forti, il tempo è estremamente ridotto e si aggira intorno ai trilionesimi di miliardesimo di secondo. Sembra un valore praticamente insignificante, ma è soprattutto una previsione concreta. Ora resta da vedere se prima o poi potrà essere confermata in esperimenti con laser ad alta potenza in laboratorio.
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Immagine di copertina:© SpicyTruffel / Getty Images / iStock (dettaglio) Con un campo elettrico abbastanza forte, è possibile creare particelle anche dal nulla.
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