Experimento Genera Partículas a Partir del Vacío

La física de los agujeros negros para la creación de partículas se imita en un experimento de mesa con grafeno: el experimento verifica la antigua predicción del uso del campo eléctrico para generar partículas a partir del vacío cuántico

Por: William Brown, científico de Resonance Science Foundation

El vacío cuántico - masa/energía ubicua del espacio

En física existe un estado hipotético del espacio denominado como el vacío, una idea en la que el espacio está completamente vacío y desprovisto de materia, energía o fuerzas. Este estado es hipotético porque no existe en ninguna parte de la naturaleza. La razón es que el propio tejido del universo, el espacio, es un medio sustantivo, un mar de energía. De hecho, el prominente físico Paul Dirac -conocido por la ecuación de Dirac que es una extensión de la ecuación de Schrödinger y que es consistente con la relatividad especial- postuló que el vacío debe estar lleno de un mar infinito de electrones de energía negativa (véase también su fascinante trabajo sobre la hipótesis de los grandes números).

Esto se conoce como el mar de Dirac, y es el resultado de las soluciones de energía negativa de la ecuación de Dirac y de su predicción de que los electrones relativistas deben emitir energía continuamente (como fotones) haciendo que caigan a valores de energía más bajos: esto debería poder continuar sin límite, de tal manera que los electrones descenderían más allá de la "energía cero" hacia valores de energía negativos, de los cuales no hay valor límite inferior. Dirac planteó la hipótesis de que la única razón por la que no observamos que esto ocurra es que todos los valores de energía negativa ya están llenos, y debido al principio de exclusión de Pauli los electrones de energía positiva no pueden ocupar estos estados ya llenos. Curiosamente, esto condujo a la predicción del positrón -la contrapartida antimateria del electrón-, ya que Dirac predijo que un hueco, o nivel desocupado en el Mar de Dirac, parecería causar la "aniquilación" inmediata de un electrón al emitir rápidamente toda la energía positiva para ocupar el hueco (no se ha aniquilado, sino que ha pasado al Mar de Dirac, donde no es directamente observable).

_{Un fotón transfiere energía a un electrón con energía negativa en el Mar de Dirac dándole un valor energético positivo E > 0, dejando un agujero con la misma masa que el electrón pero con carga positiva. En 1930 Carl Anderson localizó esta partícula llamada positrón en un experimento.}

El mar de Dirac ha sido sustituido por la teoría cuántica de campos, en la que el vacío está lleno de un mar de partículas mucho más abarcador, de modo que todo par concebible de partícula-antipartícula fluctúa constantemente entre la creación y la aniquilación en una danza interminable que ocupa una gama infinita de modos de sus respectivos campos cuánticos. En la teoría del campo cuántico, las partículas no son pequeños objetos en el espacio, sino que son manifestaciones aparentemente puntuales de distribuciones espaciales extendidas de excitaciones de campos cuánticos: pequeños vórtices de resonadores armónicos cuánticos que oscilan energéticamente de forma continua por todo el espacio.

Esta energía no nula del espacio (donde de otro modo debería estar en el valor de energía del "punto cero" si existiera la "nada") no es trivial, las fluctuaciones de energía del vacío tienen efectos físicos significativos que se observan en una variedad de fenómenos como:

• el desplazamiento Lamb (el precursor de la electrodinámica cuántica moderna desarrollada por Julian Schwinger, Richard Feynman y Freeman Dyson)
• el Zitterbewegung: a partir de la ecuación de Dirac para electrones relativistas en el espacio libre se sabe que existe una interferencia entre estados energéticos positivos y negativos que produce lo que parece ser una fluctuación (a la velocidad de la luz) de la posición de un electrón.
• los gluones fluctuantes: que explican cómo los hadrones obtienen el 98% de la masa que no se atribuye al llamado mecanismo de Higgs (en la Cromodinámica Cuántica el nucleón es un volumen de miles de millones de pares de partículas fluctuantes quark-antiquark que se anulan todas, excepto tres de ellas, y éstas interactúan con el campo de Higgs para dar el 2% de la masa de los bariones).
• y, por supuesto, se puede observar directamente en el efecto Casimir (ver mi artículo: controlando el vacío con Dispositivos Casimir funcionales).  De hecho, en el efecto Casimir Dinámico los fotones se emiten directamente desde el vacío cuántico.
  

¿Por qué entonces no somos más conscientes de este mar infinito de energía y de la naturaleza sustantiva del espacio? Una de las razones es que el vacío cuántico en el espacio libre se encuentra en un estado de equilibrio: si se piensa en ello en términos de materia, tiene un número infinito de partículas y sus antipartículas, de modo que a la escala macroscópica que observamos se "anulan" completamente, y no hay ningún efecto neto. Del mismo modo, para las fuerzas, el espacio está infinitamente curvado de forma positiva y de forma infinitamente negativa, de modo que a escalas macroscópicas parece plano. Sólo en condiciones en las que hay un gradiente en la estructura del vacío se observan partículas, energía o fuerzas. Por ejemplo, el espín induce un gradiente en la estructura del espacio, por lo que si se imagina al espacio como compuesto por infinitas pequeñas unidades polarizables, entonces los vórtices en este plasma del vacío cuántico aparecerán como sustantivos, con masa, carga y fuerzas vinculantes como la gravedad fuerte y el electromagnetismo (véase el próximo artículo de Nassim Haramein y el Dr. Olivier Alirol: Scale Invariant Unification of Forces, Fields & Particles in a Quantum Vacuum Plasma).  

Otra forma de describir la formación de un gradiente en el espacio es la polarización del vacío, y de hecho se ha predicho desde hace tiempo que con una polarización suficiente del vacío, se emitirán las partículas que abundan en el vacío: este es el caso del efecto Hawking-Unruh, donde la fuerte curvatura gravitacional es la fuente de gradiente en el vacío que provoca la emisión de partículas, y en el foco de nuestra discusión aquí el efecto Schwinger: donde un campo eléctrico extremadamente fuerte provoca la polarización del vacío y resulta en la emisión de partículas a partir del vacío cuántico.

El efecto Schwinger

En la extensión del campo cuántico de la idea del Mar de Dirac, uno de los modos energéticos del vacío cuántico son los pares de partículas electrón-positrón: no se mide ningún campo electrostático a escala macroscópica del vacío en el espacio libre porque la carga negativa del electrón está equilibrada por la carga positiva del positrón (al igual que su masa, espín, momentum y otras propiedades). Sin embargo, si generáramos un campo eléctrico extremadamente fuerte, entonces, en lugar de alternar continuamente entre la creación y la aniquilación, las diferentes cargas harían que los pares de partículas se aceleraran en diferentes direcciones en el campo eléctrico. En tales condiciones, las partículas parecerían emerger del vacío cuántico, y tendríamos electrones y positrones observables generados en el campo eléctrico extremadamente fuerte. Esto se conoce como el efecto Schwinger y fue hipotetizado por primera vez por Julian Schwinger hace más de 70 años [1]. En el efecto Schwinger, la materia se crea a partir de un fuerte campo eléctrico, la polarización del vacío provoca la emisión de pares de partículas electrón-positrón que causan la decadencia del campo eléctrico -esencialmente, el campo eléctrico sólo puede llegar a ser tan fuerte antes de que la energía vaya a generar electrones y positrones a partir del vacío cuántico.

_{En presencia de un campo eléctrico fuerte y constante, se crearán espontáneamente electrones, e^-, y positrones, e⁺.}

Obsérvese que cuando las partículas se producen de este modo están necesariamente entrelazadas cuánticamente entre sí, ya que se forman a partir de un único estado (el vacío), por lo que este efecto es también la realización del agujero de gusano de Wheeler, que describe los pares electrón-positrón como un agujero de gusano cuántico en la estructura del vacío, lo que se conoce como efecto Schwinger holográfico [2]. El efecto Schwinger es análogo a la radiación Unruh-Hawking, en la que, en lugar de un campo eléctrico, es el fortísimo campo gravitatorio de un agujero negro el que provoca la separación de los pares de partículas del vacío; en ambos casos, se genera un gradiente en la densidad de energía del vacío que hace que se extraiga masa-energía del vacío. Esta es una consideración clave en el desarrollo de tecnologías que puedan aprovechar la energía del vacío cuántico: la clave es generar un gradiente en la estructura del vacío.

De hecho, las intensidades de campo eléctrico implicadas para ambos efectos son tan fuertes que se cree que sólo ocurren en objetos astronómicos masivos y extremadamente compactos, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones (especialmente las versiones extremadamente fuertes de las estrellas de neutrones llamadas magnetares). Esta propiedad de los agujeros negros de generar partículas y energía a partir del vacío cuántico es una de las razones por las que los investigadores de Resonance Science Foundation consideramos los agujeros negros como motores de creación de masa-energía (lea más sobre esto en nuestro artículo: Motores Galácticos). De hecho, estos objetos astronómicos son los laboratorios naturales para probar estas teorías de creación de materia en la teoría cuántica de campos y en la naturaleza sustantiva del vacío. Las estrellas de neutrones son algunos de los objetos estelares más apasionantes conocidos por los astrónomos: tienen los campos magnéticos más extremos, con valores de hasta 10¹⁵ G, y, con la excepción de los agujeros negros de masa estelar, son las estrellas más densas, con densidades de ≈ 10¹⁴ g/cm^-3 (básicamente núcleos atómicos de tamaño macroscópico).

En 2018 las observaciones de la luz polarizada emitida por una estrella de neutrones mostraron que ésta experimentaba birrefringencia en el vacío [3]. La birrefringencia es un efecto óptico que se observa normalmente en los cristales, y se utiliza para separar la luz en haces distintos. Se produce porque las ondas electromagnéticas con diferentes polarizaciones interactúan de forma diferencial con la estructura electrónica de los átomos en la red cristalina dependiendo de la relación de su orientación. Los campos eléctricos y magnéticos extremadamente fuertes de una estrella de neutrones provocan la ruptura de la simetría espacial en la estructura del vacío, dándole una fase cristalina, y haciendo que la luz sufra birrefringencia al ser emitida por la estrella de neutrones. Esta fue una clara observación de la naturaleza sustantiva del medio del espacio, el plasma del vacío cuántico.

Primera observación directa del efecto Schwinger

Se pensaba que las intensidades de campo eléctrico necesarias para producir estos efectos de polarización en el vacío sólo podrían producirse alrededor de las estrellas de neutrones y los agujeros negros, lo que hasta ahora hacía imposible predicciones como el efecto Schwinger mediante cualquier prueba experimental en un laboratorio terrestre. En un experimento publicado en la revista Science, dirigido por la Universidad de Manchester, un equipo internacional de investigadores ha utilizado una propiedad fenomenal del grafeno para observar el efecto Schwinger por primera vez [4]. El grafeno se ha convertido en el centro de la investigación de los científicos de materiales, ya que tiene unas propiedades estructurales y electrónicas extraordinarias. Por ejemplo, puede transportar enormes densidades de corriente -unos 10⁸ A/cm², aproximadamente dos órdenes de magnitud más que el cobre- y, aunque se presenta en configuraciones de panal de abeja de un solo plano o en "láminas", es extraordinariamente resistente (si se enrolla en un nanotubo de carbono es más fuerte que el acero). Los investigadores han pretendido observar propiedades superconductoras en el grafeno, algo que normalmente sólo se observa en metales superenfriados o aleaciones metálicas.

En el grafeno existe un vacío en el punto (en el espacio del momentum) en el que se encuentran las bandas de electrones de conducción y de valencia del material y no hay portadores de carga intrínsecos. En colaboración con colegas de España, Estados Unidos, Japón y otros lugares del Reino Unido, el equipo de Manchester dirigido por Andre Geim, identificó una firma del efecto Schwinger en este punto de Dirac, observando pares de electrones y huecos (el equivalente en estado sólido de los positrones) creados a partir del vacío.

_{El grafeno en representaciones de espacio real y espacio del momentum. (a) Cada átomo de carbono en la red de panal del grafeno forma fuertes enlaces covalentes con sus vecinos, quedando un electrón no unido para vagar por el cristal bidimensional. (b) Una imagen de la estructura de bandas del cristal describe la dependencia energética de ese movimiento electrónico. El grafeno, que es un semimetal, tiene bandas de valencia y de conducción que se tocan en puntos discretos de la zona de Brillouin. La relación de dispersión energía-momento se vuelve lineal en las proximidades de esos puntos, con la dispersión descrita por la ecuación energética relativista E = |ℏ k|v F, donde v F es la velocidad de Fermi y ℏ k su momentum. En consecuencia, un electrón tiene una masa efectiva nula y se comporta más como un fotón que como una partícula masiva convencional cuya dispersión energía-momentum es parabólica. Imagen y descripción de la imagen: [5].}

El equipo lo consiguió construyendo dispositivos a partir de lo que se conoce como superredes de grafeno, donde esencialmente cada red cristalina plana de átomos de carbono está apilada pero ligeramente desalineada, lo que permite interacciones electrónicas no lineales entre los átomos de la red. En estas superredes de grafeno, la celda unitaria del grafeno -la simple repetición de átomos de carbono en su estructura cristalina- se expande significativamente, de manera que el cristal se estira por un factor de 100 en todas las direcciones. Este estiramiento cambia drásticamente las propiedades del material, lo que permite a los investigadores producir intensidades de campo eléctrico de ~10¹⁸ V/m, lo que se conoce como el límite de Schwinger,  por encima del cual el campo electromagnético se vuelve no lineal (y empieza a generar pares electrón-positrón). Como informa el equipo de investigación, las firmas clave que observaron para indicar la realización del efecto Schwinger fueron las características de corriente-voltaje que se asemejan a las de los superconductores, los picos agudos en la resistencia diferencial, la inversión del signo del efecto Hall y una marcada anomalía causada por la producción de plasma caliente de electrones y huecos, similar a la de Schwinger. Aplicando fuertes corrientes eléctricas a los dispositivos basados en superredes de grafeno, con densidades de corriente de hasta 0,1 mA mm^-1, el equipo pudo identificar características de corriente-voltaje que sólo se producen con la producción de electrones y huecos (positrones).

Sorprendentemente, el equipo observó otro proceso inusual de alta energía que no tiene, hasta ahora, ningún análogo en la física de partículas o la astrofísica. Cuando los investigadores llenaron el vacío del grafeno con electrones y los aceleraron a la máxima velocidad posible permitida en el material (alrededor de 1/300 de la velocidad de la luz), ¡los electrones parecieron tener velocidad superlumínica! En estas condiciones, los electrones proporcionaron una corriente eléctrica mucho mayor que la permitida por la teoría, lo que los investigadores atribuyeron además a la generación espontánea de una producción adicional de plasma caliente de electrones y huecos en el vacío. El aumento de la conducción se asemeja tanto a la superconductividad que los investigadores sugieren que algunos informes anteriores de superconductividad en algunas configuraciones especiales de grafeno podrían haber sido observaciones de producción de plasma de electrones-huecos similares a las de Schwinger, en lugar de evidencias de superconductividad.

RSF en Perspectiva-

Uno de los aspectos centrales de la física unificada del físico Nassim Haramein y de Resonance Science Foundation es que el espacio no está vacío, es sustantivo, absolutamente saturado de masa-energía tal y como la teoría cuántica de campos dice que debe ser (prediciendo un valor de densidad de energia del vacío infinita en el régimen no renormalizado). Curiosamente, aunque se trata de un aspecto central de la física y la teoría cuántica, muchos científicos parecen seguir considerando que el espacio está vacío; de hecho, muchos reportes no especializados en la materia sobre este mismo estudio descrito aquí, informaban que los científicos habían "creado algo de la nada". La clave para superar este malentendido es dejar de describir el vacío como "nada"; como el apelativo implica, la nada no existe, el verdadero vacío sólo existe en la imaginación de los científicos. Cuando se entiende que el espacio es sustantivo y está lleno de energía fluctuante, no parece confuso que se generen partículas a partir de él, que sea la fuente de la masa, las fuerzas y los campos, e incluso que podamos utilizar procesos naturales para acceder a esta reserva ilimitada de energía para aplicaciones tecnológicas. 

Referencias

[1] J. Schwinger, “On Gauge Invariance and Vacuum Polarization,” Phys. Rev., vol. 82, no. 5, pp. 664–679, Jun. 1951, doi: 10.1103/PhysRev.82.664

[2] J. Sonner, “Holographic Schwinger Effect and the Geometry of Entanglement,” Phys. Rev. Lett., vol. 111, no. 21, p. 211603, Nov. 2013, doi: 10.1103/PhysRevLett.111.211603

[3] R. P. Mignani et al., “Evidence of vacuum birefringence from the polarisation of the optical emission from an Isolated Neutron Star.” arXiv, Feb. 14, 2018. Accessed: Oct. 18, 2022. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/1710.08709

[4] A. I. Berdyugin et al., “Out-of-equilibrium criticalities in graphene superlattices,” Science, vol. 375, no. 6579, pp. 430–433, Jan. 2022, doi: 10.1126/science.abi8627. (ArXiv Preprint https://arxiv.org/abs/2106.12609)

[5] M. Wilson, “Electrons in atomically thin carbon sheets behave like massless particles,” Physics Today, vol. 59, no. 1, pp. 21–23, Jan. 2006, doi: 10.1063/1.2180163