¿PUEDE LA LUZ REBOTAR EN LA LUZ?
Enciende dos linternas de modo que sus haces se crucen: cada haz sigue su camino como si el otro no estuviera. Es el principio de superposición, en el corazón de la óptica. Se cumple porque las ecuaciones del electromagnetismo son lineales, y coincide con la experiencia cotidiana.
Desde los trabajos de Euler, Heisenberg y Kockel en los años treinta, en física se sabe que el principio no es del todo exacto. La física cuántica llena el vacío de fluctuaciones fugaces: en electrodinámica cuántica, pares virtuales de electrones y positrones. A través de ellos, la luz puede sentir la luz. De ahí se derivan dos consecuencias: la dispersión de luz por luz, en la que un haz desvía fotones de otro, y la birrefringencia del vacío, en la que el vacío cambia la polarización de la luz que atraviesa un campo intenso. Ninguna de las dos se ha verificado aún experimentalmente a baja energía, donde los fotones transportan mucha menos energía que la masa de un electrón.
Rayos X contra un láser intenso
La colaboración BIREF@HIBEF —unos 80 miembros, entre ellos equipos del Instituto Helmholtz de Jena y del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf— montó la colisión en el láser europeo de electrones libres de rayos X (European X-Ray Free-Electron Laser), en Schenefeld, Alemania:
- el bombeo (pump): el láser ReLaX, pulsos de infrarrojo cercano de 23 femtosegundos que transportan 4 julios, enfocados en una mancha de unos 1,1 por 1,4 micrómetros, hasta alcanzar 7,7 × 10²¹ vatios por centímetro cuadrado;
- la sonda (probe): pulsos de rayos X de 8,766 keV, cada uno con unos 100.000 millones de fotones, disparados de frente contra el bombeo.
El intenso campo del bombeo debería polarizar ligeramente el vacío, y unos pocos fotones de rayos X deberían salir con la polarización invertida. Incluso en condiciones ideales, eso supone alrededor de un fotón de cada 10¹³, y esos fotones viajan en la misma dirección que los otros 100.000 millones.
El montaje de campo oscuro: un hilo proyecta una sombra en el haz de rayos X, la señal del vacío cuántico creada en la colisión pasa por la abertura y un divisor de haz separa sus dos polarizaciones. — Figura 1, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.
Esconder el haz en una sombra
El truco es un campo oscuro. Un hilo de wolframio pulido, de 250 micrómetros de grosor, se coloca en el haz de rayos X antes de que se enfoque. Proyecta una sombra. En el foco, la sombra desaparece; después, reaparece, pero la señal creada por la colisión se extiende dentro de ella. Una abertura de 40 micrómetros bloquea entonces el haz principal y deja pasar la región en sombra, y un cristal de germanio separa las dos polarizaciones hacia dos detectores de recuento de fotones. Solo unos 4 fotones de rayos X de cada billón del haz principal se filtraron al canal de polarización invertida.
El bombeo dispara a 0,5 hercios y la sonda a 10 hercios, así que cada colisión va acompañada de 19 disparos de referencia sin bombeo. En 2.751 colisiones y 52.441 disparos de referencia, el canal invertido contó 0,4649 fotones por disparo con el bombeo y 0,4636 sin él: ninguna diferencia. Tras restar el fondo, el exceso fue de −0,0024 fotones por disparo, compatible con cero.
Un silencio diez mil millones de veces más elocuente
Para saber qué significa el silencio, el equipo simuló todo el experimento, haz a haz y lente a lente, incluido el desalineamiento medido de cada disparo. La electrodinámica cuántica predice en total solo 0,0008 fotones en el canal invertido para toda la campaña: muy por debajo de lo que esta serie de medidas podía detectar.
El resultado es un límite superior. Con un 95 % de confianza, la dispersión de luz por luz es como máximo 70.000 veces el valor predicho por la electrodinámica cuántica, a una energía de colisión de 116 electronvoltios. Una señal de más de 56 fotones en las 2.751 colisiones habría destacado. Los experimentos anteriores a baja energía solo habían alcanzado límites unas diez mil millones de veces más débiles.
Límites superiores de la dispersión de luz por luz, relativos a la predicción cuántica (línea roja discontinua en 1): este experimento, en 70.000, frente a experimentos anteriores a baja energía. — Figura 4, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.
Cerrar la brecha
La distancia de 70.000 no está fuera de alcance, según el equipo. Hacer funcionar ReLaX con los 8 julios y 1 hercio que figuran en sus especificaciones publicadas daría 8 veces más señal en el mismo tiempo; una geometría de campo oscuro libre de las limitaciones de la instalación actual mejoraría el rechazo del fondo en un factor de más de mil; detectores más rápidos ganarían otro factor de diez o más. Juntas, estas mejoras deberían permitir la primera observación directa en laboratorio de la dispersión de luz por luz, y después medir los dos números, a y b, que la electrodinámica cuántica asigna a la respuesta del vacío.