¿Cómo interactúa la luz con la materia a intensidades extremas, cerca del límite de Schwinger?

10 de junio, 2024

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

La generación experimental de haces de luz cada vez más intensos podría ayudar a revelar nuevos regímenes físicos que ocurren en presencia de campos electromagnéticos muy fuertes. Aunque se ha avanzado hacia este objetivo, los físicos aún tienen que desarrollar una estrategia confiable para lograr intensidades de luz extremas.

Investigadores de LIDYL, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay propusieron recientemente un método realista para alcanzar intensidades de luz sin precedentes en entornos experimentales, utilizando láseres doppler de enfoque ajustado. Este método, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters, se encontró teóricamente que permite interacciones de luz-materia cerca del límite de Schwinger.

'El artículo explota una idea que surgió en nuestro equipo en la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia (CEA-LIDYL) en 2019 y que se ha estudiado extensamente desde entonces en colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (especialmente en lo que respecta a los aspectos de modelado)', dijeron a Phys.org Henri Vincenti y Neil Zaim, coautores del artículo.

'Dentro de esta colaboración, estamos diseñando una nueva técnica para producir una fuente de luz a una intensidad sin precedentes e investigando cómo dicha fuente de luz podría usarse para explorar el régimen de campo fuerte de la electrodinámica cuántica (SF-QED).'

La QED, la teoría cuántica relativista de la electrodinámica, es una de las teorías de la física más comprobadas con precisión. Su régimen de campo fuerte, sin embargo, aún queda en gran medida inexplorado, debido a las dificultades actuales para sondearlo experimentalmente.

'La teoría de SF-QED se desarrolló hace décadas y predice la aparición de nuevos regímenes físicos en presencia de campos electromagnéticos muy fuertes, donde la emisión de rayos gamma y la producción de antimateria (pares de electrones-positrones) son frecuentes y donde incluso la propagación de la luz en el vacío se vuelve no lineal', dijeron Vincenti y Zaim.

'Por ejemplo, un haz de luz intenso puede modificar la propagación de otro haz de luz que cruza su camino, un régimen no descrito por las ecuaciones de Maxwell, que son lineales por esencia.'

Se teoriza que los regímenes de campo fuerte ocurren en las proximidades de objetos astrofísicos masivos, incluyendo agujeros negros y estrellas de neutrones, así como durante eventos astrofísicos extremos, como estallidos de rayos gamma. Estos fenómenos cosmológicos aún no se comprenden completamente, por lo tanto, estudiar los regímenes extremos asociados a ellos en entornos de laboratorio podría ser muy esclarecedor.

Hasta ahora, sin embargo, los científicos no han podido reproducir con éxito los regímenes dominados por SF-QED en entornos experimentales. Los pocos experimentos que intentaron hacerlo se basaron en aceleradores de partículas a gran escala, pero solo pudieron detectar un pequeño número de procesos SF-QED.

'Estos regímenes son desafiantes para reproducir en un entorno de laboratorio porque los fenómenos SF-QED ocurren cuando los campos electromagnéticos se acercan al llamado límite de Schwinger (~1018 V/m o equivalentemente ~1029 W/cm2); órdenes de magnitud por encima de la tecnología láser de última generación, que puede 'solo' producir intensidades de hasta ~1023 W/cm2', dijeron Vincenti y Zaim.

'De hecho, a menudo se considera imposible alcanzar el campo de Schwinger en el marco de referencia del laboratorio. Por lo tanto, todos los experimentos pasados y propuestos se basan en alcanzar el límite de Schwinger solo en el marco de referencia de partículas muy energéticas.'

Vincenti, Zaim y sus colegas esperan que su técnica propuesta para generar luz altamente intensa abra nuevas oportunidades para la investigación. Específicamente, eventualmente podría permitir a los físicos acercarse al llamado límite de Schwinger en un entorno de laboratorio.

'En nuestro artículo de 2019, validamos con simulaciones numéricas de última generación la viabilidad de nuestra técnica de aumento de luz', dijeron Vincenti y Zaim.

'Nuestras simulaciones indicaron que este método podría aumentar la intensidad de un láser PW de 2 a 5 órdenes de magnitud, posiblemente haciendo que el rango de intensidad 1025-1028 W/cm2 esté al alcance de la tecnología láser actual. En un artículo de 2021 publicado en Nature Physics, obtuvimos una primera confirmación experimental de este resultado con una intensidad más moderada (~1019 W/cm2) láser de clase teravatios (TW).'

En un artículo adicional publicado en 2021, Vincenti y sus colaboradores esbozaron los resultados de simulaciones numéricas adicionales. Estos resultados demostraron que incluso a las intensidades más bajas que esperan alcanzar usando su método propuesto (~1025 W/cm2), la luz aumentada sería suficiente para desencadenar mucho más fenómenos SF-QED que los sondeados por un láser PW convencional.

'Esto podría dar lugar a un nuevo tipo de experimentos de SF-QED en los próximos años', dijeron Vincenti y Zaim. 'En este caso, sin embargo, todavía estamos a órdenes de magnitud de alcanzar el límite de Schwinger en el marco del laboratorio, ya que sólo se supera en el marco de referencia de partículas energéticas'.

Aunque los investigadores ya habían realizado varias simulaciones numéricas para validar teóricamente su enfoque, una de sus posibles aplicaciones aún debía ser explorada. Específicamente, el equipo aún no había explorado su potencial para acercarse al límite de Schwinger en un marco de laboratorio.

'Esto corresponde a las intensidades más altas que esperamos alcanzar con nuestra técnica de aumento de luz (~1028 W/cm2)', dijeron Vincenti y Zaim. 'El objetivo de este nuevo artículo era explorar los escenarios físicos que entran en juego en estos territorios inexplorados, utilizando herramientas numéricas de última generación. Tales resultados son muy importantes para motivar, definir y preparar las futuras generaciones de experimentos de SF-QED'.

Para producir luz de una intensidad sin precedentes, la técnica propuesta por Vincenti y sus colegas aprovecha la interacción entre un láser PW y un objetivo sólido plano, que se ioniza en un plasma. Específicamente, los investigadores propusieron golpear un objetivo sólido pulido ópticamente con un haz de láser de ultra alta intensidad, lo que da lugar a la formación de un espejo de plasma.

Este espejo de plasma refleja la luz incidente y también es movido por el campo láser intenso. Este movimiento resulta en la compresión temporal del pulso láser reflejado, que luego se convierte a una longitud de onda más corta por el efecto Doppler. La presión de radiación del láser le da al espejo de plasma una curvatura natural, enfocando el haz potenciado por Doppler en puntos más pequeños y teóricamente produciendo ganancias de intensidad de más de tres órdenes de magnitud en estos puntos.

'El ingrediente adicional clave necesario para alcanzar las intensidades más altas acercándose al límite de Schwinger (digamos ~1028 W/cm2, en lugar de ~1025 W/cm2), es la capacidad de enfocar la luz aumentada en su volumen más pequeño posible', explicaron Vincenti y Zaim.

'Actualmente estamos explorando varios caminos para lograr un enfoque tan apretado en experimentos, por ejemplo, utilizando ópticas de ultravioleta extremo de reenfoque externo. Algunas de estas técnicas ya parecen muy prometedoras y serán objeto de futuras publicaciones'.

En su reciente artículo, Vincenti y Zaim no hicieron ninguna suposición sobre el método utilizado para enfocar estrechamente la luz mejorada por Doppler, ya que esto les permitiría representar varias opciones potenciales en sus simulaciones numéricas. En cambio, simplemente asumieron que podían enfocar la luz en su volumen más pequeño posible (es decir, su límite de difracción).

'Los resultados que hemos obtenido son muy emocionantes, ya que muestran que acercarse al límite de Schwinger en el marco del laboratorio conduce a nuevos y extremadamente ricos escenarios de interacciones luz-materia, en la frontera de la física moderna', dijeron Vincenti y Zaim.

'La simple interacción entre nuestra luz potenciada y un objetivo sólido da lugar a una profusión de eventos de SF-QED que domina la física. Típicamente, entre el 30% y el 50% de la energía de la luz potenciada se convierte en rayos gamma y parejas de electrones-positrones en unas pocas decenas de femtosegundos por procesos de SF-QED'.

Las simulaciones numéricas realizadas por los investigadores también mostraron que su método lleva a generar fotones gamma y parejas de electrones-positrones agrupadas en bolas de fuego densas que se mueven a la velocidad de la luz. Aunque estas bolas de fuego tienen una vida corta de aproximadamente 1 fs, el equipo piensa que podrían imitar los chorros de electrones/positrones que existen en la proximidad de agujeros negros y estrellas de neutrones, ayudando así a desvelar el origen de la radiación que emiten.

'A las intensidades más altas que podríamos considerar razonablemente (>1028 W/cm2), descubrimos que la física se vuelve aún más radical: comienzan a producirse reacciones en cadena de creación de partículas', dijeron Vincenti y Zaim.

'En otras palabras, los fotones y las parejas de electrones-positrones crean nuevos fotones y parejas, aumentando exponencialmente la densidad de las bolas de fuego hasta más de 5.000 veces la densidad de un sólido. No es demasiado descabellado pensar que tal mecanismo de reacción en cadena tiene el potencial de dar lugar a nuevas fuentes avanzadas de estallidos de rayos gamma y antimateria'.

Vincenti, Zaim y sus colegas mostraron teóricamente que la colisión de su luz potenciada por Doppler con un haz de electrones energéticos que proviene de un acelerador de partículas podría también dar lugar a resultados interesantes. En esta configuración, de hecho, el campo en el marco de referencia de los electrones se vuelve tan alto que la teoría perturbativa desarrollada para el SF-QED se rompe.

'En otras palabras, hasta hoy, no tenemos idea de lo que sucedería en un experimento de este tipo', explicaron Vincenti y Zaim.

«Es probable que esta falta de marco teórico se deba tanto a la complejidad matemática de la teoría cuántica de campos no perturbativa como al hecho de que los investigadores pensaron durante muchos años que sería imposible alcanzar campos eléctricos tan elevados en el sistema de reposo de un electrón. Nuestra suposición es que este tipo de resultados reavivarán aún más el interés en el régimen no perturbativo de SF-QED y estimularán el desarrollo de nuevos marcos teóricos o numéricos mejor adaptados a este régimen.'

Los resultados recopilados por los investigadores hasta ahora sugieren que realizar experimentos cerca del límite de Schwinger produciría nuevos e interesantes resultados que podrían contribuir en gran medida a los campos de la física del plasma y la QED. En sus próximos estudios, planean comenzar a aplicar el método propuesto en experimentos reales, en colaboración con las principales instalaciones láser de todo el mundo.

"El principal desafío que prevemos es producir las intensidades de luz más altas posibles (hasta 1028 W/cm2) en un entorno real con imperfecciones experimentales (tanto láser como de puntería) y tiempo de haz limitado", dijeron Vincenti y Zaim. "Identificar y mitigar los obstáculos que tenemos por delante requerirá la combinación de experiencia teórica, numérica y experimental".

Los investigadores pronostican que en los primeros experimentos podrán crear luz potenciada con intensidades de alrededor de 1025 W/cm2. Si bien estas intensidades aún estarían lejos del límite de Schwinger, seguirían siendo un récord mundial, allanando el camino para experimentos SF-QED de alto impacto que nunca antes se habían realizado.

"A continuación, aprovecharíamos la información de experimentos anteriores y los avances futuros en la tecnología láser para aumentar gradualmente la intensidad de la luz potenciada desde aquí hasta el límite de Schwinger", añadieron Vincenti y Zaim. «Esto nos permitirá obtener interacciones dominadas por SF-QED cada vez más espectaculares. Por lo tanto, estamos convencidos de que se avecinan tiempos apasionantes.'

Información de la revista: Nature Physics, Physical Review Letters, arXiv

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