La velocità superluminale di particelle dei raggi gamma

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Le particelle emesse all’interno dei getti di raggi gamma possono davvero viaggiare più velocemente della luce? Un recente studio sostiene che i getti di raggi gamma, in cui i raggi gamma stessi sono una forma di luce ad alta energia, possono viaggiare più velocemente della luce.

È davvero possibile che i raggi gamma superino la velocità della luce e quindi sia possibile osservare il fenomeno della “reversibilità temporale”? L’inversione del tempo è solo un’affermazione teorica che consente a queste ipotetiche particelle che si muovono a velocità superiori a quella della luce di conformarsi alla relatività o ci sono prove empiriche di questo fenomeno? Proviamo a capirlo.

Le particelle emesse all'interno dei getti di raggi gamma possono davvero viaggiare più velocemente della luce? | Reccom MagazineNell’universo c’è un limite alla velocità che è possibile raggiungere: la velocità della luce nel vuoto, “c”Se non hai massa, che tu sia un’onda luminosa (un fotone), un gluone o persino un’onda gravitazionale, questa è la velocità a cui devi muoverti quando attraversi il vuoto, mentre se hai massa, puoi muoverti solo più lentamente di  c.

Eppure, un recente studio sostiene che i getti di raggi gamma, in cui i raggi gamma stessi sono una forma di luce ad alta energia, possono viaggiare più velocemente della luce.

Quindi? È davvero possibile che i raggi gamma superino la velocità della luce e quindi sia possibile osservare il fenomeno della “reversibilità temporale”? L’inversione del tempo è solo un’affermazione teorica che consente a queste ipotetiche particelle che si muovono a velocità superiori a quella della luce di conformarsi alla relatività o ci sono prove empiriche di questo fenomeno?

Cominciamo guardando la fisica di base che governa l’Universo.

Tutte le particelle prive di massa viaggiano alla velocità della luce, ma la velocità della luce cambia a seconda che viaggi attraverso il vuoto o un mezzo. Se dovessi inviare la particella di raggio cosmico con più energia mai scoperta in gara con un fotone verso la galassia di Andromeda e ritorno, un viaggio di circa 5 milioni di anni luce, la particella perderebbe la corsa di circa 6 secondi. Tuttavia, se dovessi lanciare un fotone radio a lunghezza d’onda lunga in gara con un fotone a raggio gamma a lunghezza d’onda corta, purché viaggino solo attraverso il vuoto, arriverebbero allo stesso tempo. – NASA / SONOMA STATE UNIVERSITY / AURORE SIMONNET
Tutte le particelle prive di massa viaggiano alla velocità della luce, ma la velocità della luce cambia a seconda che viaggi attraverso il vuoto o un mezzo. Se dovessi inviare la particella di raggio cosmico con più energia mai scoperta in gara con un fotone verso la galassia di Andromeda e ritorno, un viaggio di circa 5 milioni di anni luce, la particella perderebbe la corsa di circa 6 secondi. Tuttavia, se dovessi lanciare un fotone radio a lunghezza d’onda lunga in gara con un fotone a raggio gamma a lunghezza d’onda corta, purché viaggino solo attraverso il vuoto, arriverebbero allo stesso tempo. – NASA / SONOMA STATE UNIVERSITY / AURORE SIMONNET

La luce si manifesta in un’ampia varietà di lunghezze d’onda, frequenze ed energie. Sebbene l’energia inerente alla luce sia quantizzata in pacchetti di energia discreti (ovvero fotoni), ci sono alcune proprietà condivise da tutte le forme di luce.

  1. L’energia inerente di un fotone è direttamente proporzionale alla frequenza: la luce a frequenza più alta / lunghezza d’onda più corta è la più energeticamente carica, mentre la luce a frequenza più bassa / lunghezza d’onda più lunga è quella con minor carica energetica.

Non appena lascia il vuoto, tuttavia, la luce si comporta in modo molto diverso sulla base delle diverse lunghezze d’onda.

La luce non è altro che un’onda elettromagnetica, con campi elettrici e magnetici oscillanti in fase, perpendicolari alla direzione di propagazione della luce. Più corta è la lunghezza d’onda, più energico è il fotone, ma più è sensibile alle variazioni della velocità della luce attraverso un mezzo. – AND1MU / WIKIMEDIA COMMONS
La luce non è altro che un’onda elettromagnetica, con campi elettrici e magnetici oscillanti in fase, perpendicolari alla direzione di propagazione della luce. Più corta è la lunghezza d’onda, più energico è il fotone, ma più è sensibile alle variazioni della velocità della luce attraverso un mezzo. – AND1MU / WIKIMEDIA COMMONS

La luce è un’onda elettromagnetica. Quando parliamo della lunghezza d’onda della luce, stiamo parlando della distanza tra ogni due “nodi” nel modello ondulato che i suoi campi elettrici e magnetici oscillanti in fase creano.

Quando si fa passare la luce attraverso un mezzo, tuttavia, all’improvviso ci sono particelle cariche posizionate in ogni direzione: particelle che creano i propri campi elettrici (e possibilmente magnetici). Quando la luce li attraversa, i suoi campi elettrici e magnetici interagiscono con le particelle nel mezzo e la luce è costretta a muoversi a una velocità più bassa: la velocità della luce in quel particolare mezzo.

Ciò che realmente accade, tuttavia, è che la luce rallenta in funzione della sua lunghezza d’onda.

Animazione schematica di un fascio di luce continuo disperso da un prisma. Se avessi gli occhi sensibili agli ultravioletti e infrarossi, potresti vedere che la luce ultravioletta si piega di più della luce viola / blu, mentre la luce infrarossa rimane meno piegata rispetto alla luce rossa. – LUCASVB / WIKIMEDIA COMMONS
Animazione schematica di un fascio di luce continuo disperso da un prisma. Se avessi gli occhi sensibili agli ultravioletti e infrarossi, potresti vedere che la luce ultravioletta si piega di più della luce viola / blu, mentre la luce infrarossa rimane meno piegata rispetto alla luce rossa. – LUCASVB / WIKIMEDIA COMMONS

Perché succede?

Perché i fotoni a lunghezza d’onda più lunga (più rossi) si piegano meno (e quindi viaggiano più velocemente) quando viaggiano attraverso un mezzo rispetto ai fotoni a lunghezza d’onda più corta (più blu), che si piegano di quantità maggiori e quindi viaggiano più lentamente?

Qualsiasi mezzo è composto da atomi, che a loro volta sono costituiti da nuclei ed elettroni. Quando si applica un campo elettrico o magnetico a un mezzo, quel mezzo stesso risponderà al campo: il mezzo si polarizza. Questo accade per tutte le lunghezze d’onda della luce. Per lunghezze d’onda più lunghe, tuttavia, i cambiamenti nel mezzo sono più lenti; ci sono meno cicli al secondo dell’onda elettromagnetica. Poiché l’elettromagnetismo resiste sempre alle variazioni dei campi elettrici e magnetici, la luce resisterà meglio ai campi che cambiano più velocemente (corrispondenti a fotoni con lunghezze d’onda più brevi, frequenze più alte e energie maggiori).

Questa illustrazione, della luce che passa attraverso un prisma dispersivo e si separa in colori chiaramente definiti, è ciò che accade quando molti fotoni di energia medio-alta colpiscono un cristallo. Nota come in un vuoto (al di fuori del prisma) tutta la luce viaggia alla stessa velocità e non si disperde. Tuttavia, poiché la luce più blu rallenta più della luce rossa, la luce che passa attraverso un prisma viene dispersa con successo. – UTENTE DI WIKIMEDIA COMMONS SPIGGET
Questa illustrazione, della luce che passa attraverso un prisma dispersivo e si separa in colori chiaramente definiti, è ciò che accade quando molti fotoni di energia medio-alta colpiscono un cristallo. Nota come in un vuoto (al di fuori del prisma) tutta la luce viaggia alla stessa velocità e non si disperde. Tuttavia, poiché la luce più blu rallenta più della luce rossa, la luce che passa attraverso un prisma viene dispersa con successo. – UTENTE DI WIKIMEDIA COMMONS SPIGGET

Questo è l’unico “trucco” che conosciamo per far muovere la luce a una velocità più lenta della velocità della luce nel vuoto: farla passare attraverso un mezzo. Quando lo facciamo, la luce a lunghezza d’onda più corta – che è la più energica – rallenta di una quantità maggiore rispetto alla luce a lunghezza d’onda più lunga, a energia più bassa. Se mandiamo un raggio di luce di qualsiasi frequenza a nostra scelta attraverso qualsiasi mezzo, i raggi gamma, se ve ne sono generati, dovrebbero viaggiare più lentamente di tutte le diverse forme di luce.

Ecco perché questo titolo è così sconcertante: come possono i getti di raggi gamma muoversi più velocemente della luce?  Se diamo un’occhiata al documento scientifico stesso (prestampa gratuita disponibile qui), possiamo vedere che c’è un altro componente che aiuta a chiarire la storia: questa radiazione non si muove più velocemente di “c, la velocità della luce nel vuoto, ma “v, la velocità della luce nel mezzo pieno di particelle che circonda la fonte di questi raggi gamma.

Si ritiene che uno scoppio di raggi gamma, come quello rappresentato nella figura sopra, provenga da una densa regione di una galassia ospite circondata da una grande conchiglia, sfera o alone di materiale. Quel materiale avrà una velocità della luce inerente a quel mezzo e le singole particelle che lo attraversano, sebbene sempre più lente della velocità della luce nel vuoto, potrebbero essere più veloci della velocità della luce in quel mezzo. – GEMINI OBSERVATORY / AURA / LYNETTE COOK
Si ritiene che uno scoppio di raggi gamma, come quello rappresentato nella figura sopra, provenga da una densa regione di una galassia ospite circondata da una grande conchiglia, sfera o alone di materiale. Quel materiale avrà una velocità della luce inerente a quel mezzo e le singole particelle che lo attraversano, sebbene sempre più lente della velocità della luce nel vuoto, potrebbero essere più veloci della velocità della luce in quel mezzo. – GEMINI OBSERVATORY / AURA / LYNETTE COOK

Quando una particella si muove attraverso il vuoto dello spazio, deve sempre muoversi ad una velocità più lenta di c, la velocità della luce nel vuoto. Tuttavia, se quella particella entra in un mezzo in cui la velocità della luce è ora v, che è inferiore a c, è possibile che la velocità della particella diventerà improvvisamente maggiore della velocità della luce in quel mezzo.

In questo caso, la particella, dalle sue interazioni con il mezzo, produrrà un tipo speciale di radiazione: la luce blu / ultravioletta conosciuta come  radiazione di ČerenkovAlle particelle è proibito di viaggiare più velocemente della velocità della luce nel vuoto in tutte le condizioni, ma nulla impedisce loro di viaggiare più velocemente della luce in un mezzo.

Il nucleo del reattore di prova avanzato dell’Idaho National Laboratory non è blu brillante perché ci sono luci blu coinvolte, ma piuttosto perché si tratta di un reattore nucleare che produce particelle cariche relativistiche che sono circondate dall’acqua. Quando le particelle attraversano quell’acqua, superano la velocità della luce in quel mezzo ed emettono radiazioni Cherenkov, che appaiono come questa luce blu brillante. – LABORATORIO NAZIONALE ARGONNE
Il nucleo del reattore di prova avanzato dell’Idaho National Laboratory non è blu brillante perché ci sono luci blu coinvolte, ma piuttosto perché si tratta di un reattore nucleare che produce particelle cariche relativistiche che sono circondate dall’acqua. Quando le particelle attraversano quell’acqua, superano la velocità della luce in quel mezzo ed emettono radiazioni Cherenkov, che appaiono come questa luce blu brillante. – LABORATORIO NAZIONALE ARGONNE

Ciò a cui si riferisce il nuovo studio è il fatto che abbiamo molti diversi tipi di fenomeni astrofisici ad alta energia che sembrano avere tutti la stessa configurazione generale: fotoni ad alta energia emessi da un evento violento nello spazio in un ambiente particolare. Questo vale anche per i lampi di raggi gamma lunghi / intermedi, per i lampi di raggi gamma di breve periodo e per i raggi X.

Ciò che i ricercatori hanno fatto è stato introdurre un nuovo modello semplice che spiegherebbe le bizzarre proprietà osservate nei lampi di raggi gamma. Modellano le emissioni di raggi gamma come originate da un getto di particelle in rapido movimento, il che è coerente con ciò che sappiamo, ma poi introducono un’onda di impatto in rapido movimento che scorre in questo getto in espansione e, man mano che la densità (e altre proprietà) del mezzo cambia, quell’onda accelera dal movimento più lento della luce a quello più veloce della luce in quel mezzo.

In questa rappresentazione artistica, un blazar sta accelerando i protoni che producono pioni, che producono neutrini e raggi gamma. Vengono anche prodotti fotoni. Mentre potresti non pensare molto alla differenza tra le particelle che si muovono alla velocità della luce e quelle che si muovono al 99.99999% della velocità della luce, quest’ultimo caso è di estremo interesse, in quanto si muove dentro e fuori da un mezzo (o tra mezzi di diverse costanti dielettriche), è possibile creare uno shock quando le particelle iniziano a muoversi più velocemente della luce in un particolare mezzo. – ICECUBE / NASA
In questa rappresentazione artistica, un blazar sta accelerando i protoni che producono pioni, che producono neutrini e raggi gamma. Vengono anche prodotti fotoni. Mentre potresti non pensare molto alla differenza tra le particelle che si muovono alla velocità della luce e quelle che si muovono al 99.99999% della velocità della luce, quest’ultimo caso è di estremo interesse, in quanto si muove dentro e fuori da un mezzo (o tra mezzi di diverse costanti dielettriche), è possibile creare uno shock quando le particelle iniziano a muoversi più velocemente della luce in un particolare mezzo. – ICECUBE / NASA

Il fatto è che quando le particelle si muovono attraverso un mezzo, più veloci della luce o più lente della luce, emetteranno radiazioni in entrambi i modi. Se ti muovi più velocemente della luce, produci sia radiazioni di Čerenkov che collisioni. Se ti muovi più lentamente della luce, produci radiazioni Compton (diffusione di elettroni / fotoni) o radiazioni di sincrotrone.

Se fai entrambe le cose, il che significa che ti muovi più lentamente della luce attraverso il mezzo per una parte del viaggio e più veloce della luce attraverso il mezzo per un’altra parte del viaggio, dovresti vedere due serie di caratteristiche della curva della luce per i raggi gamma che arrivano sulla Terra.

  • La radiazione più lenta della luce dovrebbe mostrare un segnale di time forward: dove gli eventi che accadono prima arrivano prima e quelli che accadono dopo. La radiazione viaggia più velocemente del segnale.
  • Ma la radiazione più veloce della luce dovrebbe produrre un segnale invertito nel tempo: dove gli eventi che accadono più tardi arrivano prima e quelli che accadono prima arrivano più tardi. Il segnale viaggia più veloce della radiazione.

Guarda l’animazione qui sotto per vedere perché.

Questa animazione mostra cosa succede quando una particella carica e relativistica si muove più velocemente della luce in un mezzo. Le interazioni fanno sì che la particella emetta un cono di radiazione noto come radiazione di Cherenkov, che dipende dalla velocità e dall’energia della particella incidente. Rilevare le proprietà di questa radiazione è una tecnica estremamente utile e diffusa nella fisica sperimentale delle particelle. – VLASTNI DILO / H. SELDON / DOMINIO PUBBLICO
Questa animazione mostra cosa succede quando una particella carica e relativistica si muove più velocemente della luce in un mezzo. Le interazioni fanno sì che la particella emetta un cono di radiazione noto come radiazione di Cherenkov, che dipende dalla velocità e dall’energia della particella incidente. Rilevare le proprietà di questa radiazione è una tecnica estremamente utile e diffusa nella fisica sperimentale delle particelle. – VLASTNI DILO / H. SELDON / DOMINIO PUBBLICO

Qui puoi vedere una particella che si muove più velocemente della luce in un mezzo. La particella interagisce con il mezzo, producendo segnali luminosi in ogni punto, che si propagano sfericamente verso l’esterno da qualsiasi punto la particella si trovi in ​​quell’istante. Ma anche se la luce si muove alla velocità della luce, la particella può muoversi più velocemente perché siamo in un mezzo. La luce che rilevi, lungo i fronti d’onda mostrati nella cornice finale, è sempre dietro la particella.

Ciò significa che i segnali che arrivano per primi saranno gli ultimi ad essere emessi e quelli che arrivano per ultimi sono stati i primi emessi: esattamente l’opposto di ciò che ci dice la nostra esperienza convenzionale.

Se fosse un pugno in faccia invece di una particella, prima sentiresti l’impatto, e poi vedresti il ​​pugno proprio di fronte a te. Questo è possibile solo in un mezzo. Nel vuoto, la velocità della luce vince sempre ogni gara.

Figura 1 dalla carta di Hakkila / Nemiroff che illustra un impulso GRB ricevuto (a sinistra, arancione) e la curva monotonica (curva nera, sinistra) che si adatta meglio. Quando si sottrae la curva dal segnale effettivo, si ottengono i residui e parte del segnale sembra essere il tempo inverso. È qui che nasce l’idea della “pulsazione subluminale che diventa superluminale”: dall’adattare i dati così bene. – J. HAKKILA E R. NEMIROFF, APJ 833, 1 (2019)
Figura 1 dalla carta di Hakkila / Nemiroff che illustra un impulso GRB ricevuto (a sinistra, arancione) e la curva monotonica (curva nera, sinistra) che si adatta meglio. Quando si sottrae la curva dal segnale effettivo, si ottengono i residui e parte del segnale sembra essere il tempo inverso. È qui che nasce l’idea della “pulsazione subluminale che diventa superluminale”: dall’adattare i dati così bene. – J. HAKKILA E R. NEMIROFF, APJ 833, 1 (2019)

I lampi di raggi gamma sono composti da più impulsi e appaiono come picchi che si alzano rapidamente e poi cadono un po’ più lentamente. Questi impulsi sono uniti da segnali più piccoli, noti come residui, e mostrano molta complessità. Tuttavia, un esame dettagliato mostra che i residui di impulso non sono indipendenti, ma sono collegati tra loro: alcuni hanno residui che sono i residui invertiti nel tempo di altri impulsi.

Questo è il grande fenomeno che il nuovo modello proposto da Jon Hakkila e Robert Nemiroff sta tentando di spiegare. Il grosso problema non è che qualcosa sta andando più veloce della luce nel vuoto; non lo fa. Il grosso problema è che questo fenomeno osservato, altrimenti inspiegabile, potrebbe avere una semplice causa astrofisica: un getto più lento della luce (in un mezzo) che diventa superluminale (in quel mezzo).

Gli impulsi originati da queste due fasi hanno tempi di arrivo sovrapposti, e questo è il modo in cui possiamo vedere questo comportamento simile al riflesso nel segnale. Potrebbe non essere la risposta finale, ma è la migliore spiegazione per questo fenomeno altrimenti inspiegabile che l’umanità ha elaborato finora.

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