Wie interagiert Licht bei extremen Intensitäten nahe der Schwinger-Grenze mit Materie?

10. Juni 2024

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Die experimentelle Erzeugung von immer intensiverem Licht könnte helfen, neue physikalische Regime aufzudecken, die in Anwesenheit von sehr starken elektromagnetischen Feldern auftreten. Obwohl in Richtung dieses Ziels einige Fortschritte erzielt wurden, haben die Physiker noch keine zuverlässige Strategie zur Erreichung extremer Lichtintensitäten entwickelt.

Forscher am LIDYL, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay haben kürzlich eine realistische Methode vorgeschlagen, um in experimentellen Einstellungen beispiellose Lichtintensitäten zu erreichen, indem sie eng fokussierte, doppler-verstärkte Laser verwenden. Diese Methode, die in einem Artikel in der Physical Review Letters skizziert wurde, ermöglicht laut Theorie Licht-Materie-Wechselwirkungen nahe der Schwinger-Grenze.

'Der Artikel nutzt eine Idee, die 2019 in unserem Team bei der Französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA-LIDYL) entstanden ist und seitdem in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory intensiv untersucht wurde (insbesondere in Bezug auf die Modellierungsaspekte)', sagten Henri Vincenti und Neil Zaim, die Co-Autoren des Artikels, gegenüber Phys.org.

'In dieser Zusammenarbeit entwickeln wir eine neue Technik zur Erzeugung einer Lichtquelle mit beispielloser Intensität und erforschen, wie eine solche Lichtquelle zur Erforschung des starken Feldregimes der Quantenelektrodynamik (QED) genutzt werden könnte.'

Die QED, die relativistische Quantentheorie der Elektrodynamik, gehört zu den am genauesten getesteten physikalischen Theorien. Ihr starkes Feldregime ist jedoch weitgehend unerforscht, da es derzeit Schwierigkeiten gibt, es experimentell zu untersuchen.

'Die Theorie der SF-QED wurde vor Jahrzehnten entwickelt und sagt das Auftreten neuer physikalischer Regime in Gegenwart von sehr starken elektromagnetischen Feldern voraus, in denen Gammastrahlenemissionen und Antimaterie (Elektron-Positron-Paare) überwiegen und in denen sogar die Lichtausbreitung im Vakuum nichtlinear wird', sagten Vincenti und Zaim.

'So kann beispielsweise ein intensiver Lichtstrahl die Ausbreitung eines anderen Lichtstrahls verändern, der seinen Weg kreuzt, ein Regime, das durch die Maxwellschen Gleichungen nicht beschrieben wird, die im Wesentlichen linear sind.'

Starke Feldregime sollen in der Nähe von massiven astrophysikalischen Objekten, einschließlich Schwarzer Löcher und Neutronensterne, sowie bei extremen astrophysikalischen Ereignissen wie Gammastrahlenausbrüchen auftreten. Diese kosmologischen Phänomene sind noch nicht vollständig verstanden, daher könnte die Erforschung der mit ihnen verbundenen extremen Regime im Labor sehr aufschlussreich sein.

Bisher ist es Wissenschaftlern jedoch nicht gelungen, SF-QED-dominierte Regime erfolgreich im Labor nachzubilden. Die wenigen Experimente, die dies versuchten, stützten sich auf großskalige Teilchenbeschleuniger, konnten jedoch nur eine kleine Anzahl von SF-QED-Prozessen nachweisen.

'Diese Regime sind schwer im Labor nachzuahmen, da SF-QED-Phänomene auftreten, wenn elektromagnetische Felder die sogenannte Schwinger-Grenze (~1018 V/m oder äquivalent ~1029 W/cm2) annähern; eine Größenordnung über der modernen Lasertechnologie, die 'nur' Intensitäten bis zu ~1023 W/cm2 erzeugen kann', sagten Vincenti und Zaim.

'Tatsächlich wird oft davon ausgegangen, dass es unmöglich ist, das Schwinger-Feld im Laborrahmen zu erreichen. Daher stützen sich alle bisherigen und vorgeschlagenen Experimente darauf, die Schwinger-Grenze nur im Ruhesystem von sehr energiereichen Partikeln zu erreichen.'

Vincenti, Zaim und ihre Kollegen hoffen, dass ihre vorgeschlagene Technik zur Erzeugung von hochintensivem Licht neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen wird. Insbesondere könnte sie Physikern schließlich erlauben, die sogenannte Schwinger-Grenze in einem Laborrahmen zu erreichen.

'In unserem Artikel von 2019 haben wir die Machbarkeit unserer Lichtverstärkungstechnik mit modernsten numerischen Simulationen bestätigt', sagten Vincenti und Zaim.

'Unsere Simulationen ergaben, dass diese Methode die Intensität eines PW-Lasers um 2 bis 5 Größenordnungen steigern könnte, wodurch der Intensitätsbereich von 1025-1028 W/cm2 für die aktuelle Lasertechnologie erreichbar wird. In einem 2021 in Nature Physics veröffentlichten Artikel erhielten wir eine erste experimentelle Bestätigung dieses Ergebnisses mit einem moderateren Intensitätslaser (~1019 W/cm2) der Terawatt-Klasse.'

In einem weiteren Artikel, der 2021 veröffentlicht wurde, skizzierte Vincenti zusammen mit seinen Mitarbeitern die Ergebnisse weiterer numerischer Simulationen. Diese Ergebnisse zeigten, dass selbst bei den niedrigsten Intensitäten, die sie hoffen, mit ihrer vorgeschlagenen Methode erreichen zu können (~1025 W/cm2), das verstärkte Licht ausreichen würde, um viel mehr SF-QED-Phänomene auszulösen als die, die von einem herkömmlichen PW-Laser untersucht werden.

'Dies könnte in den kommenden Jahren zu einer neuen Art von SF-QED-Experimenten führen', sagten Vincenti und Zaim. 'In diesem Fall sind wir jedoch noch Größenordnungen davon entfernt, die Schwinger-Grenze im Laborrahmen zu erreichen, da sie nur im Ruhesystem energiereicher Teilchen überschritten wird.''

Während die Forscher bereits verschiedene numerische Simulationen durchgeführt hatten, um ihren Ansatz theoretisch zu validieren, war eine mögliche Anwendung noch nicht untersucht worden. Insbesondere hatte das Team das Potential, sich der Schwinger-Grenze in einem Laborrahmen zu nähern, noch nicht erforscht.

'Dies entspricht den höchsten Intensitäten, die wir mit unserer Lichtverstärkungstechnik (~1028 W/cm2) erreichen hoffen', sagten Vincenti und Zaim. 'Das Ziel dieses neuen Artikels war es, die physikalischen Szenarien zu untersuchen, die in diesen unerforschten Gebieten zum Tragen kommen, mit Hilfe von modernsten numerischen Hilfsmitteln. Solche Ergebnisse sind sehr wichtig, um die zukünftigen Generationen von SF-QED-Experimenten zu motivieren, zu definieren und vorzubereiten.'

Um Licht von bisher nicht erreichter Intensität zu erzeugen, nutzt die von Vincenti und seinen Kollegen vorgeschlagene Methode die Wechselwirkung zwischen einem PW-Laser und einem flachen festen Ziel, das in ein Plasma ionisiert wird. Insbesondere schlagen die Forscher vor, ein optisch poliertes festes Ziel mit einem Laserstrahl von ultrahoher Intensität zu treffen, was zur Bildung eines sogenannten Plasmaspiegels führt.

Dieser Plasmaspiegel reflektiert das einfallende Licht und wird auch vom intensiven Laserfeld bewegt. Diese Bewegung führt zur vorübergehenden Kompression des reflektierten Laserpulses, der dann durch den Doppler-Effekt in eine kürzere Wellenlänge umgewandelt wird. Der Strahlungsdruck des Lasers verleiht dem Plasmaspiegel eine natürliche Krümmung, fokussiert den durch Doppler verstärkten Strahl auf kleinere Punkte und erzeugt in diesen Punkten theoretisch Intensitätsgewinne von über drei Größenordnungen.

'Die zusätzliche Schlüsselzutat, um die höchsten Intensitäten zu erreichen, die sich der Schwinger-Grenze nähern (sagen wir ~1028 W/cm2, anstelle von ~1025 W/cm2), ist die Fähigkeit, das verstärkte Licht auf sein kleinstmögliches Volumen zu fokussieren', erklärten Vincenti und Zaim.

'Wir erforschen derzeit mehrere Wege, um eine solch enge Fokussierung in Experimenten zu erreichen, zum Beispiel durch den Einsatz von externer Nachfokussierung von extrem ultravioletter Optik. Einige dieser Techniken sehen bereits sehr vielversprechend aus und werden Gegenstand zukünftiger Veröffentlichungen sein.'

In ihrer jüngsten Arbeit machten Vincenti und Zaim keine Annahmen über die Methode, die verwendet wurde, um das durch Doppler verstärkte Licht eng zu fokussieren, da dies es ihnen ermöglichen würde, verschiedene mögliche Optionen in ihren numerischen Simulationen darzustellen. Stattdessen gingen sie lediglich davon aus, dass sie das Licht auf das kleinste mögliche Volumen (d.h. seine Beugungsgrenze) fokussieren können.

'Die Ergebnisse, die wir erhalten haben, sind sehr aufregend, da sie zeigen, dass die Annäherung an die Schwinger-Grenze im Laborrahmen zu neuen und äußerst komplexen Licht-Materie-Wechselwirkungsszenarien führt, die an der Grenze der modernen Physik liegen', sagten Vincenti und Zaim.

'Die einfache Wechselwirkung zwischen unserem verstärkten Licht und einem festen Ziel führt zu einer Fülle von SF-QED-Ereignissen, die die Physik dominieren. Typischerweise werden zwischen 30% und 50% der Energie des verstärkten Lichts in Gammastrahlen und Elektron-Positron-Paare umgewandelt, und das innerhalb von wenigen Zehnteln von Femtosekunden durch SF-QED-Prozesse.'

Die von den Forschern durchgeführten numerischen Simulationen zeigten auch, dass ihre Methode dazu führt, dass generierte Gamma-Photonen und Elektron-Positron-Paare sich in dichten Feuerbällen bündeln, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Während diese Feuerbälle eine kurze Lebensdauer von etwa 1 fs haben, denkt das Team, dass sie die Elektron/Positron-Jets nachahmen könnten, die in der Nähe von schwarzen Löchern und Neutronensternen existieren und so helfen könnten, den Ursprung der von ihnen ausgesandten Strahlung zu enthüllen.'

'Bei den höchsten Intensitäten, die wir vernünftigerweise in Betracht ziehen könnten (>1028 W/cm2), entdeckten wir, dass die Physik noch radicaler wird: Es treten Kettenreaktionen der Teilchenerzeugung auf', sagten Vincenti und Zaim.

'Mit anderen Worten, Photonen und Elektron-Positron-Paare erzeugen neue Photonen und Paare und erhöhen so exponentiell die Dichte der Feuerbälle auf mehr als das 5.000-fache der Dichte eines Festkörpers. Es ist nicht zu abwegig zu denken, dass solch ein Kettenreaktionsmechanismus das Potenzial hat, neue fortgeschrittene Quellen von Gammastrahlenausbrüchen und Antimaterie zu erzeugen.'

Vincenti, Zaim und seine Kollegen haben theoretisch gezeigt, dass der Zusammenstoß ihres durch Doppler verstärkten Lichts mit einem energiereichen Elektronenstrahl, der von einem Teilchenbeschleuniger stammt, zu interessanten Ergebnissen führen könnte. In dieser Konfiguration wird das Feld im Ruhesystem der Elektronen so hoch, dass die für SF-QED entwickelte störungstheoretische Theorie versagt.

'Mit anderen Worten, wir haben heute keine Ahnung, was in einem solchen Experiment passieren würde', erklärten Vincenti und Zaim.

„Dieser Mangel an theoretischem Rahmen ist wahrscheinlich sowohl auf die mathematische Komplexität der nichtperturbativen Quantenfeldtheorie als auch auf die Tatsache zurückzuführen, dass Forscher viele Jahre lang dachten, es sei unmöglich, so hohe elektrische Felder im Ruhesystem eines Elektrons zu erreichen. Wir vermuten, dass diese Art von Ergebnissen das Interesse am nichtperturbativen Regime der SF-QED weiter beleben und die Entwicklung neuer theoretischer oder numerischer Rahmen vorantreiben wird, die für dieses Regime besser geeignet sind.“

Die bisher von den Forschern gesammelten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Durchführung von Experimenten nahe der Schwinger-Grenze aufregende neue Ergebnisse liefern würde, die einen großen Beitrag zu den Bereichen Plasmaphysik und QED leisten könnten. In ihren nächsten Studien planen sie, ihre vorgeschlagene Methode in Zusammenarbeit mit großen Laseranlagen weltweit in realen Experimenten anzuwenden.

„Die größte Herausforderung, die wir erwarten, besteht darin, tatsächlich die höchstmöglichen Lichtintensitäten (bis zu 1028 W/cm2) in einer realen Umgebung mit experimentellen Unvollkommenheiten (sowohl Laser als auch Zielvorrichtung) und begrenzter Strahlzeit zu erzeugen“, sagten Vincenti und Zaim. „Um die bevorstehenden Hürden zu identifizieren und zu überwinden, ist eine Kombination aus theoretischer, numerischer und experimenteller Expertise erforderlich.“

Die Forscher prognostizieren, dass sie in den ersten Experimenten verstärktes Licht mit Intensitäten um 1025 W/cm2 erzeugen können. Diese Intensitäten wären zwar noch weit von der Schwinger-Grenze entfernt, aber immer noch ein Weltrekord und würden den Weg für hochwirksame SF-QED-Experimente ebnen, die noch nie zuvor durchgeführt wurden.

„Wir würden dann das Feedback aus früheren Experimenten und künftigen Fortschritten in der Lasertechnologie nutzen, um die verstärkte Lichtintensität von hier aus schrittweise bis zur Schwinger-Grenze zu erhöhen“, fügten Vincenti und Zaim hinzu. „Auf diese Weise können wir immer mehr spektakuläre, von SF-QED dominierte Wechselwirkungen erzielen. Wir sind daher überzeugt, dass uns spannende Zeiten bevorstehen.“

Zeitschrifteninformationen: Nature Physics, Physical Review Letters, arXiv

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