Formación de materia a partir de radiación

[Richard R Richard]

Re: Formación de materia a partir de radiación

$E=mc^2=5000kg(299792458m/s)^2=\notcien{4,493775894}{20}J$


la irradiancia sobre la superficie de la tierra

[FONT=sans-serif]es de 1367 W/m² según la escala del [/FONT]World Radiation Reference Centre (WRRC), de 1373 W/m² según la Organización Mundial de Meteorología (WMO de sus siglas en inglés) y de 1353 W/m² según la NASA.

tomemos $1365 W/m^2$ como promedio

la mitad de la superficie de la tierra es $\notcien{2.5505}{14}m^2$

luego con calculo como $t=\dfrac{E}{I.S}=1290s$

osea necesitas generar la cantidad de fotones que nos llegan desde el sol a toda la tierra durante un poco mas 20 minutos.

es una cantidad monstruosa de fotones que debes hacer impactar , para cree esa cantidad de masa, luego hay que ver como distribuyes esa radiación incidente, para que crees, no solo electrones sino, también protones y neutrones, luego te las tienes que ingeniar para, lograr su interacción nuclear, y electromagnética, luego fisionarlos para crear el átomo de numero átomos que desees, en ese proceso se libera energía de enlace "que podrías reutilizar"... es todo un cuento de palabras, pero técnicamente muy pero muy difícil de hacer el la practica, te han comentado que es difícil lograr alguna muestras de partículas y antiparticulas, que no se miden en unidades de masa pero como esta unidad es demasiado grande y se miden en Electrón voltio(espero no estar diciendo un disparate) imagínate entonces, el doble de $6.023 10^{23}$ veces esos procesos para lograr tan solo gramo de hidrógeno con un proton y un electrón de allí 5000000 de veces mas, para tus 5 toneladas.

[carroza]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Hola.

Materia y energía son equivalentes. En principio, tan facil es pasar de materia a energía, como sería pasar de energía a materia.

La diferencia, a efectos prácticos, es una cuestión de concentración.

Tomando tu ejemplo: 5 toneladas de materia típica ocupan 1 metro cúbico. Si la transformo en energía, tendría $4.5 \cdot 10^{20} J$ en 1 metro cúbico, lo cual es una densidad tremenda de energía.


Una energía típica, por ejemplo la energía de la luz solar, tiene un valor de $4.5 \cdot 10^{-6} J$ por metro cúbico. Si quisiera convertir la energía de la radiación solar en 5 toneladas de materia, necesitaría primero comprimir la energía contenida en $10^{26} m^3$, meterla en un espacio de $1 m^3$, y luego convertirla en materia. Esto, para hacerte la idea, corresponde a tomar el volumen de un cubo que contuviera toda la órbita de la luna, y concentrar toda la radiación en 1 m^3.

Eso es lo dificil. A partir de ahi, convertir energía en materia, sería fácil en comparación.

Saludos

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Yo ya me he perdido. Pero gracias a todos por vuestras respuestas.

- - - Actualizado - - -

Hola de nuevo. Perdonar que insista sobre este asunto, pero es que no lo comprendo.

No quiero molestar a nadie con mis comentarios, pero visto desde la ignorancia, el caso es que somos capaces de extraer suficiente energía de la materia como para destruir un ciudad entera o para calentar todos sus hogares y para mover submarinos o barcos que pesan millones de toneladas durante muchísimo tiempo.

Y por otro lado, estamos dando vueltas a ver si somos capaces de formar un par electron-positron.

La diferencia parece abismal.

¿Seríamos capaces ahora de generar 5 toneladas de materia? Ya sé que la cantidad de energía necesaria sería ingente. Pero ¿seríamos capaces de hacerlo?

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... Como focalizar fotones es muy difícil, se utilizan colisiones entre núcleos pesados ultrarelativistas. Estas colisiones se hacen ultraperiféricas, de forma que no colisionan los núcleos sino solamente los campos electromagnéticos ...

Impresionante. Qué ingenioso como método indirecto.

Gracias y saludos.

[carroza]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Dado que el Proceso Breit–Wheeler no se ha observado nunca en el laboratorio, el de dispersión que es más difícil deduzco que tampoco se habrá observado nunca. Es decir ¿no se ha observado nunca en el laboratorio ninguna interacción $\gamma + \gamma$ de ningún tipo (ahí mi sorpresa) para E suficientemente mayor de 1022 keV?

Hola. Hay medidas en el laboratorio de procesos $\gamma + \gamma \to e^+ + e^-$, e incluso $\gamma + \gamma \to \mu^+ + \mu^-$. Como focalizar fotones es muy dificil, se utilizan colisiones entre nucleos peesados ultrarelativistas. Estas colisiones se hacen ultraperiféricas, de forma que no colisionan los núcleos sino solamente los campos electromagnéticos. Puedes verlos en http://cds.cern.ch/record/2248407/fi...E-2017-021.pdf

A partir de los datos alli expuestos, la sección eficaz medida $\gamma + \gamma \to \mu^+ + \mu^-$ sale 32 microbarns, mientras que la sección eficaz $\gamma + \gamma \to \gamma + \gamma$ , tambien medida en el mismo experimento, es de 70 nanobarns, o sea, mil veces más pequeña.

Saludos

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Gracias carroza, creo entender todo tu post. Reconozco que esta parte:

... La interacción normal (la que tiene sección eficaz mayor) entre dos fotones es la dispersión, no la creación de pares ...

Era una suposición mía que he puesto sin comprobarla. Ahora tú afirmas:

... si hay energía suficiente, es mucho más probable producir electrón-positrón a partir de dos fotones, que otros dos fotones. Fijate que el diagrama $\gamma + \gamma \to e^- + e^+$ es de segundo orden en la interacción electromagnética, mientras que el diagrama $\gamma + \gamma \to \gamma + \gamma$ es de cuarto orden ...

Permíteme que pregunte sobre esta parte que me sorprende, porque al intentarlo traducir a mis palabras, entiendo que si entre los 2 fotones disponen de más 1022 keV es más probable $\gamma + \gamma \to e^- + e^+$ (Proceso Breit–Wheeler) que dispersión $\gamma + \gamma \to \gamma + \gamma$

Dado que el Proceso Breit–Wheeler no se ha observado nunca en el laboratorio, el de dispersión que es más difícil deduzco que tampoco se habrá observado nunca. Es decir ¿no se ha observado nunca en el laboratorio ninguna interacción $\gamma + \gamma$ de ningún tipo (ahí mi sorpresa) para E suficientemente mayor de 1022 keV?

Gracias y saludos.

[carroza]

Re: Formación de materia a partir de radiación

La reacción es difícil porque la sección eficaz de interacción gamma/gamma - creación de pares (que se calcula utilizando la electrodinámica cuántica) es pequeñísima, del orden del radio clásico del electrón. La interacción normal (la que tiene sección eficaz mayor) entre dos fotones es la dispersión, no la creación de pares.

Hola. En general, en el sistema centro de momentos, la sección eficaz de un proceso, multiplicado por el momento al cuadrado, es igual a la seccion eficaz del proceso inverso, multiplicado por su momento al cuadrado. El proceso en el que dos fotones, con suficiente energía, colisionan para dar una pareja electrón positrón, es igual de probable (medido como el producto de la sección eficaz por el momento al cuadrado), que el proceso en el que una pareja electrón positrón se aniquilan para dar dos fotones. Esto se deduce de la invariancia frente a inversión temporal, que se cumple estrictamente para la interacción electromagnética.


Así que formar materia a partir de radiación es igual de fácil, o dificil, que formar radiación a partir de materia. Lo que ocurre es que, así como es fácil poner "blancos de materia", con muchos electrones, para convertir materia en radiación, no es fácil poner "blancos de radiación" con muchos fotones, para convertir radiación en materia.

Por supuesto, si la energía de los fotones (en el sistema centro de momentos) no es suficiente, no podrá producirse parejas electrón positrón, y sólo podran aparecer diagramas de dispersión fotón-fotón. Pero si hay energía suficiente, es mucho más probable producir electrón-positrón a partir de dos fotones, que otros dos fotones. Fijate que el diagrama $\gamma + \gamma \to e^- + e^+$ es de segundo orden en la interacción electromagnética, mientras que el diagrama $\gamma + \gamma \to \gamma + \gamma$ es de cuarto orden.

Saludos

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... cuando hablaba de que es más difícil, me estaba refiriendo a la generación de materia partiendo exclusivamente de energía (fotones en éste caso). Creo que es el Proceso Breit–Wheeler al que hiciste referencia en un post anterior. Entonces sí que es más difícil, ¿no?

No, tu argumento no es aceptable. En el ejemplo que hemos puesto antes

"Un fotón gamma de 250 MeV lanzado contra un tanque de agua utiliza toda su energía creando un par"

la creación de materia es también exclusivamente a partir de la energía del fotón de 250 MeV. Lo único que hace la materia con su presencia es garantizar la conservación del momento. ¿Y como consigue conservar el momento? Mediante la fuerza electromagnética asociada a los núcleos de materia presente, es decir la materia en si, que no aporta energía al proceso, grosso modo ni siquiera aporta directamente el momento, el momento lo aportan los bosones virtuales mediadores de la interacción electromagnética, que también son fotones solo que virtuales.

Luego no es cierto que el proceso Breit–Wheeler sea la única manera de generar materia a partir de energía exclusivamente de fotones, y por ello no es aceptable que digas usando Breit–Wheeler que

... resulta bastante más fácil transformar la materia en energía, que la energía en materia ...

Intento mostrarte que tu argumento es falaz ya que confundes una parte "proceso Breit–Wheeler", con el todo "formación de materia a partir de radiación", y como la parte es difícil concluyes erróneamente que el todo también lo es.

Es tan incorrecto como si yo dijese que "resulta bastante más fácil transformar la energía en materia, que la materia en energía, porque nunca se ha observado que a partir de dos electrones interaccionando entre ellos se creen fotones"

Saludos.

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Gracias de nuevo, Alriga. Pero cuando hablaba de que es más difícil, me estaba refiriendo a la generación de materia partiendo exclusivamente de energía (fotones en éste caso). Creo que es el Proceso Breit–Wheeler al que hiciste referencia en un post anterior.

Entonces sí que es más difícil, ¿no?

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... De todas maneras, lo que parece claro es que resulta bastante más fácil transformar la materia en energía, que la energía en materia ...

No, para nada, el mecanismo fácil para crear pares (materia) a partir de fotones (energía) se ha explicado en el segundo post del hilo.

1) Si tienes un foco de fotones gamma de 250 MeV y los lanzas contra un tanque de agua prácticamente el 100% de los fotones lanzados utilizarán toda su energía creando materia (pares).

2) Si tienes un foco de positrones, (que tampoco es que los vendan en el colmado de abajo) y los lanzas contra un tanque de agua, encontrarán allí muchos electrones, y prácticamente el 100% de los positrones lanzados se convertirán en energía.

La dificultad de (1) y de (2) es la misma.

Lo que es difícil es conseguir algunos tipos de reacciones particulares, como que reaccionen entre ellos 2 fotones para crear un par en nuestro rincón espacio-temporal del universo. Como te he dicho en otros lugares del universo actual (quasars) sucede y en otros tiempos, (universo temprano) también.

La reacción es difícil porque la sección eficaz de interacción gamma/gamma - creación de pares (que se calcula utilizando la electrodinámica cuántica) es pequeñísima, del orden del radio clásico del electrón. La interacción normal (la que tiene sección eficaz mayor) entre dos fotones es la dispersión, no la creación de pares.

Saludos.

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Entendido.

Gracias por tu respuesta y un saludo.

- - - Actualizado - - -

De todas maneras, lo que parece claro es que resulta bastante más fácil transformar la materia en energía, que la energía en materia. ¿Por qué razón crees que pueda ser así?

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... Tu última respuesta, deja una situación muy interesante. Algo que teóricamente es posible, pero que en realidad no es posible. Curioso, no?

No Pola, por favor lee bien lo que yo he escrito, que no es lo que tu dices:

... y aunque es físicamente posible, es muy difícil preparar un experimento para observarlo, ...

Que no se haya conseguido todavía en un laboratorio no significa que no sea posible, solo significa lo que he dicho, que es muy difícil. Como ejemplo, llevamos 65 años intentando conseguir una reacción nuclear de fusión controlada y automantenida en laboratorio y aun no lo hemos conseguido. Pero no es imposible, las estrellas lo hacen ... Mira cuantos años pasaron desde que se empezó a buscar el Bosón de Higgs hasta que consiguieron detectarlo ... O desde que Einstein teorizó las ondas gravitacionales hasta que se detectó la primera ... Y así mil ejemplos*, no hay que confundir dificultad experimental con imposibilidad.

Además hay indicios indirectos de que esta reacción se está produciendo en objetos astrofísicos muy energéticos como los Quasar, (por ejemplo en el quasar 3C279, mira Gamma ray astrophysics: the EGRET results)

Y es una reacción que los modelos indican que también se dió en abundancia cuando el universo tenía escasos instantes de vida y era muy denso y caliente.

Saludos.

* En 1604 Galileo con su primitivo telescopio intento medir la paralaje de una estrella sin conseguirlo. Con el transcurrir de los años los telescopios fueron mejorando en tamaño, potencia y calidad y los astrónomos continuaron intentando medir paralajes,... sin conseguirlo. No fue hasta 1838 que Friedrich Bessel consiguió medir la primera paralaje estelar de la historia, la de la estrella 61 Cygni. Habían pasado ¡ 234 años ! desde el intento de Galileo.

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Gracias por tu última respuesta y por el añadido a tu post anterior. Muy curioso el sistema de ecuaciones.
Tu última respuesta, deja una situación muy interesante. Algo que teóricamente es posible, pero que en realidad no es posible. Curioso, no?

[Alriga]

Re: Formación de materia a partir de radiación

... Y si chocan dos fotones, pueden aparecer un electrón y un positrón?

Teóricamente sí, si son dos fotones gamma que entre los dos tienen una energía superior a 1022 keV. El primero en publicar la posibilidad de una reacción de ese tipo fue Lev Landau en 1934, en su obra "Production of electrons and positrons by a collision of two particles" y en el mismo año por Breit y Wheeler en el estudio "Collision of Two Light Quanta"

A la reacción gamma/gamma que crea un par

$$\gamma + \gamma \quad \longrightarrow \quad e^- + e^+$$

Se le llama Proceso Breit–Wheeler y aunque es físicamente posible, es muy difícil preparar un experimento para observarlo, que yo sepa, hasta ahora nadie ha conseguido preparar uno con éxito, aunque hay intentos:

Physicists Are About to Attempt The 'Impossible' - Turning Light Into Matter

Observing the two-photon Breit-Wheeler process for the first time

Possibility of pair creation in collision of gamma-ray beams produced with a high intensity laser

Saludos.

[Pola]

Re: Formación de materia a partir de radiación

Gracias de nuevo.
Y si chocan dos fotones, pueden aparecer un electrón y un positrón?