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Descubren que la vida de los fotones puede durar hasta un billón de años


 

Un equipo del Max Planck Institute estima que los fotones tienen una pequeña cantidad de masa y que se pueden descomponer en partículas lumínicas.

El fotón, es decir, el cuanto de luz u otra energía electromagnética, es considerado normalmente como un elemento que tiene una masa igual a cero. Sin embargo, algunas teorías permiten considerar que los fotones podrían tener un pequeño resto de masa, y como consecuencia de ello, podrían descomponerse en partículas lumínicas elementales. La pregunta consiguiente a esta afirmación sería: si es posible llevar a cabo su descomposición, ¿cuáles son los límites en la vida de un fotón?

El físico alemán Julian Heeck ha respondido ahora a esta cuestión, calculando que ese límite se establecería en unos tres años según el marco de referencia de los fotones, lo que trasladado al sistema referencial humano da una cantidad de un billón de años (1018).

La idea de que los fotones tienen una vida útil finita, y por tanto de la presencia en ellos de masa, ha sido difícil de imaginar hasta este momento. De hecho, los astrónomos que se dedican a observar objetos cósmicos distantes detectan con regularidad fotones con una antigüedad de miles de años.

Pero algunas teorías sugieren que los fotones podrían no ser objetos con una masa igual a cero, sino conservar una parte mínima de ella, lo que constreñiría su límite superior en 10-18 eV o 10-54 kilos gracias a los experimentos con electricidad y campos eléctricos.

La presencia de esta pequeña cantidad de masa, igualmente, permitiría que un fotón pueda ser descompuesto en otras partículas lumínicas elementales, tales como una pareja integrada por uno de los neutrinos más luminosos y un antineutrino, o incluso partículas que actualmente son desconocidas dentro del Modelo Estándar de partículas físicas.

 


Un nuevo estudio sugiere que los fotones podrían vivir durante un billón de años. Imagen cortesía de iStockphoto/jdillontoole.


El estudio que Julian Heeck, miembro del Max Planck Institute for Nuclear Physics en Heidelberg (Alemania), ha publicado en Physical Review Letters ha conseguido ahora que las observaciones cosmológicas se reconduzcan para intentar encontrar señales de esa descomposición de los fotones. Para conseguirlo, ha trabajado sobre el Cosmic Microwave Background (CMB), un resto del ‘Big Bang’ que surgió cuando el universo era muy joven todavía, hace tan solo unos 380.000 años.

Antes de entonces, la materia y la radiación estaban intrínsecamente relacionadas. Pero el Universo experimentó un periodo de extremo crecimiento conocido como ‘inflación’ y se expandió, lo que provocó que el plasma caliente de los electrones y su núcleo luminoso se enfriaran lo suficientemente como para permitir la formación de átomos neutrales. Esa separación de la materia y la radiación permitió que, súbitamente, los fotones pudieran viajar libremente a lo largo del universo.

A lo largo del tiempo, sus longitudes de honda se fueron estirando por la expansión del universo hasta liberar una cierta radiación brillante y débil en la zona de microondas del espectro en todas las direcciones, una emisión de energía térmica uniforme y de cuerpo negro que todavía puede ser detectada hoy en día.

Desde su descubrimiento, más de 100 experimentos han estudiado el CMB, incluyendo entre otros el satélite de la NASA Cosmic Background Explorer (COBE), y más recientemente la Planck Mission de la Agencia Espacial Europea, y todos ellos han ido haciendo mediciones más certeras y precisas de su radiación. De hecho, el del CMB es el espectro de un cuerpo negro que se ha medido de forma más precisa en toda la naturaleza.

Es este espectro el que Heeck ha utilizado como un límite para sus cálculos, empleando los datos extremadamente precisos de la misión COBE y comparándolos con los espectros que él calculaba, lo que incluía la descomposición del fotón. Si el fotón tiene masa y se puede descomponer en partículas lumínicas, entonces la densidad numérica de los fotones en el CMB descendería puesto que los fotones viajan.

Pero esta afirmación supondría, consecuentemente, que el espectro del CMB no podría considerarse por más tiempo la curva termal más cercana a la perfección observada por el hombre. Heeck razona que, puesto que el CMB es casi un cuerpo negro perfecto, muy pocos fotones, si es que alguno lo hizo, se habrían descompuesto durante sus 380.000 años de existencia, y por tanto, que las medidas del CMB pueden actuar como un límite para el tiempo de vida de los fotones.

Empleando una combinación de la masa y los límites del CMB, Heeck calcula que el tiempo de vida de un fotón, dentro de su marco de referencia, es de unos tres años. Pero como estos fotones con una masa muy reducida viajan a una velocidad cercana a la de la luz, se debe tener en cuenta una dilatación del tiempo para adaptar su tiempo de vida a la referencia humana para la luz visible, lo que deja la cantidad en un tiempo final de un billón de año.

El autor del estudio considera que mejorar estos límites podría ser a partir de ahora muy complicado, al menos hasta que nuevos estudios consigan obtener datos mejores del Universo temprano.

 

 

 

 
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