Come interagisce la luce con la materia a intensità estreme, vicino al limite di Schwinger?

10 giugno 2024

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

La generazione sperimentale di fasci di luce sempre più intensi potrebbe aiutare a svelare nuovi regimi fisici che si verificano in presenza di campi elettromagnetici molto forti. Nonostante alcuni progressi verso questo obiettivo, i fisici devono ancora sviluppare una strategia affidabile per raggiungere intensità di luce estreme.

Ricercatori presso LIDYL, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay hanno recentemente proposto un metodo realistico per raggiungere intensità di luce senza precedenti in ambienti sperimentali, utilizzando laser doppler-boosted a fuoco stretto. Questo metodo, descritto in un articolo pubblicato su Physical Review Letters, è stato teoricamente trovato per consentire interazioni luce-materia vicino al limite di Schwinger.

'L'articolo sfrutta un'idea emersa nel nostro team presso la Commissione Francese per le Energie Alternative e l'Energia Atomica (CEA-LIDYL) nel 2019 e che è stata ampiamente studiata da allora in collaborazione con il Lawrence Berkeley National Laboratory (specialmente per quanto riguarda gli aspetti di modellazione)', hanno detto Henri Vincenti e Neil Zaim, coautori dell'articolo, a Phys.org.

'In questa collaborazione, stiamo sviluppando una nuova tecnica per produrre una fonte di luce ad un'intensità senza precedenti e stiamo ricercando come tale fonte di luce potrebbe essere utilizzata per esplorare il regime di campo forte della elettrodinamica quantistica (SF-QED).'

La QED, la teoria quantistica relativistica dell'elettrodinamica, è una delle teorie fisiche più accuratamente testate. Il suo regime di campo forte, tuttavia, rimane in gran parte inesplorato, a causa delle attuali difficoltà nel sondarlo sperimentalmente.

'La teoria della SF-QED è stata sviluppata decenni fa e prevede l'emergere di nuovi regimi fisici in presenza di campi elettromagnetici molto forti, dove l'emissione di raggi gamma e la produzione di antimateria (coppie elettrone-positrone) sono prevalenti e dove anche la propagazione della luce nel vuoto diventa non lineare', hanno detto Vincenti e Zaim.

'Ad esempio, un fascio di luce intenso può modificare la propagazione di un altro fascio di luce che incrocia il suo percorso, un regime non descritto dalle equazioni di Maxwell che sono lineari per essenza.'

Si teorizza che i regimi di campo forte si verifichino nelle vicinanze di oggetti astrofisici massivi, tra cui buchi neri e stelle di neutroni, così come durante eventi astrofisici estremi, come le esplosioni di raggi gamma. Questi fenomeni cosmologici non sono ancora completamente compresi, quindi studiare i regimi estremi associati a essi in ambienti di laboratorio potrebbe essere molto perspicace.

Sinora, tuttavia, gli scienziati non sono stati in grado di riprodurre con successo i regimi dominati dalla SF-QED in ambienti sperimentali. I pochi esperimenti che ci hanno provato si sono avvalsi di grandi acceleratori di particelle, ma hanno potuto rilevare solo un piccolo numero di processi SF-QED.

'Questi regimi sono difficili da riprodurre in un ambiente di laboratorio perché i fenomeni SF-QED si verificano quando i campi elettromagnetici si avvicinano al cosiddetto limite di Schwinger (~1018 V/m o equivalentemente ~1029 W/cm2); ordini di grandezza al di sopra della tecnologia laser allo stato dell'arte, che può 'solo' produrre intensità fino a ~1023 W/cm2,' hanno detto Vincenti e Zaim.

'Infatti, spesso si considera impossibile raggiungere il campo di Schwinger nel telaio del laboratorio. Quindi, tutti gli esperimenti passati e proposti si basano sul raggiungimento del limite di Schwinger solo nel telaio di riposo di particelle molto energetiche.'

Vincenti, Zaim e i loro colleghi sperano che la loro tecnica proposta per generare luce altamente intensa aprirà nuove opportunità di ricerca. In particolare, potrebbe alla fine permettere ai fisici di avvicinarsi al cosiddetto limite di Schwinger in un ambiente di laboratorio.

'Nel nostro articolo del 2019, abbiamo validato con simulazioni numeriche all'avanguardia la fattibilità della nostra tecnica di potenziamento della luce,' hanno detto Vincenti e Zaim.

'Le nostre simulazioni indicavano che questo metodo potrebbe aumentare l'intensità di un laser PW da 2 a 5 ordini di grandezza, rendendo potenzialmente la gamma di intensità 1025-1028 W/cm2 alla portata della tecnologia laser attuale. In un articolo del 2021 pubblicato su Nature Physics, abbiamo ottenuto una prima conferma sperimentale di questo risultato con un'intensità più moderata (~1019 W/cm2) laser di classe terawatt (TW).'

In un ulteriore articolo pubblicato nel 2021, Vincenti e i suoi collaboratori hanno descritto i risultati di ulteriori simulazioni numeriche. Questi risultati hanno dimostrato che anche alle intensità più basse che sperano di raggiungere con il loro metodo proposto (~1025 W/cm2), la luce potenziata sarebbe sufficiente per scatenare molti più fenomeni SF-QED di quelli sondati da un laser PW convenzionale.

'Questo potrebbe portare a un nuovo tipo di esperimenti SF-QED nei prossimi anni,' hanno detto Vincenti e Zaim. 'In questo caso, tuttavia, siamo ancora ordini di grandezza dal raggiungere il limite di Schwinger nel laboratorio, poiché viene superato solo nel sistema di riferimento del riposo di particelle energetiche.'

Sebbene i ricercatori avessero già condotto varie simulazioni numeriche per convalidare teoricamente il loro approccio, una delle sue potenziali applicazioni doveva ancora essere esplorata. In particolare, il team non aveva ancora esplorato il suo potenziale per avvicinarsi al limite di Schwinger in un laboratorio.

'Questo corrisponde alle intensità più elevate che speriamo di raggiungere con la nostra tecnica di potenziamento della luce (~1028 W/cm2),' hanno detto Vincenti e Zaim. 'L'obiettivo di questo nuovo documento era di esplorare gli scenari fisici che entrano in gioco in queste terre inesplorate, utilizzando strumenti numerici all'avanguardia. Tali risultati sono molto importanti per motivare, definire e preparare le future generazioni di esperimenti SF-QED.'

Per produrre luce di un'intensità senza precedenti, la tecnica proposta da Vincenti e i suoi colleghi sfrutta l'interazione tra un laser PW e un bersaglio solido piatto, che viene ionizzato in un plasma. In particolare, i ricercatori hanno proposto di colpire un bersaglio solido otticamente lucidato con un raggio laser di intensità ultra-alta, portando alla formazione di uno specchio di plasma.

Questo specchio di plasma riflette la luce incidente e viene anche mosso dal campo laser intenso. Questo movimento comporta la compressione temporanea dell'impulso laser riflesso, che viene quindi convertito in una lunghezza d'onda più corta dall'effetto Doppler. La pressione di radiazione dal laser conferisce allo specchio di plasma una curvatura naturale, focalizzando il fascio potenziato dal Doppler su punti più piccoli e producendo teoricamente guadagni di intensità superiori a tre ordini di grandezza in questi punti.

'L'ingrediente aggiuntivo chiave necessario per raggiungere le intensità più elevate che si avvicinano al limite di Schwinger (diciamo ~1028 W/cm2, piuttosto che ~1025 W/cm2), è la capacità di focalizzare la luce potenziata sul suo volume più piccolo possibile,' hanno spiegato Vincenti e Zaim.

'Attualmente stiamo esplorando diversi percorsi per ottenere una tale messa a fuoco stretta negli esperimenti, ad esempio, utilizzando ottiche esterne di ritorno all'ultravioletto estremo. Alcune di queste tecniche sembrano già molto promettenti e saranno l'argomento di future pubblicazioni.'

Nel loro recente documento, Vincenti e Zaim non hanno fatto ipotesi sul metodo utilizzato per focalizzare saldamente la luce potenziata dal Doppler, poiché ciò consentirebbe loro di rappresentare varie opzioni potenziali nelle loro simulazioni numeriche. Invece, hanno semplicemente presupposto che potessero focalizzare la luce sul suo volume più piccolo possibile (ovvero il suo limite di diffrazione).

'I risultati che abbiamo ottenuto sono molto emozionanti, poiché mostrano che avvicinarsi al limite di Schwinger nel laboratorio porta a nuovi e estremamente ricchi scenari di interazioni luce-materia, situati al confine della fisica moderna,' hanno detto Vincenti e Zaim.

'La semplice interazione tra la nostra luce potenziata e un bersaglio solido porta a una profusione di eventi SF-QED che dominano la fisica. Tipicamente, tra il 30% e il 50% dell'energia della luce potenziata viene convertita in raggi gamma e coppie di elettroni-positroni in poche decine di femtosecondi tramite processi SF-QED.'

Le simulazioni numeriche condotte dai ricercatori hanno anche mostrato che il loro metodo porta alla generazione di fotoni gamma e coppie di elettroni-positroni raggruppati in dense sfere di fuoco che si muovono alla velocità della luce. Sebbene queste sfere di fuoco abbiano una vita breve di circa 1 fs, il team ritiene che potrebbero imitare i getti di elettroni/positroni che esistono nelle vicinanze di buchi neri e neutroni, contribuendo così a svelare l'origine della radiazione che emettono.

'Alle intensità più elevate che potremmo ragionevolmente considerare (>1028 W/cm2), abbiamo scoperto che la fisica diventa ancora più radicale: iniziano a verificarsi reazioni a catena di creazione di particelle,' hanno detto Vincenti e Zaim.

'In altre parole, i fotoni e le coppie di elettroni-positroni creano nuovi fotoni e coppie, aumentando esponenzialmente la densità delle sfere di fuoco fino a più di 5.000 volte la densità di un solido. Non è troppo irragionevole pensare che tale meccanismo di reazione a catena abbia il potenziale per dar luogo a nuove sorgenti avanzate di esplosioni di raggi gamma e antimateria.'

Vincenti, Zaim e i suoi colleghi hanno dimostrato teoricamente che la collisione della loro luce potenziata dal Doppler con un fascio di elettroni energetici originato da un acceleratore di particelle potrebbe anche portare a risultati interessanti. In questa configurazione, infatti, il campo nel riferimento di riposo degli elettroni diventa così elevato che la teoria perturbativa sviluppata per SF-QED si interrompe.

'In altre parole, non abbiamo al momento alcuna idea di cosa accadrebbe in un tale esperimento,' hanno spiegato Vincenti e Zaim.

"Questa mancanza di quadro teorico è probabilmente dovuta sia alla complessità matematica della teoria quantistica dei campi non perturbativa, sia al fatto che i ricercatori hanno pensato per molti anni che sarebbe stato impossibile raggiungere campi elettrici così elevati nella struttura di riposo di un elettrone." La nostra ipotesi è che questo tipo di risultati ravviveranno ulteriormente l'interesse per il regime non perturbativo della SF-QED e stimoleranno lo sviluppo di nuovi quadri teorici o numerici più adatti a questo regime.'

I risultati raccolti finora dai ricercatori suggeriscono che l’esecuzione di esperimenti vicino al limite di Schwinger produrrebbe nuovi entusiasmanti risultati che potrebbero contribuire notevolmente ai campi della fisica del plasma e della QED. Nei prossimi studi, prevedono di iniziare ad applicare il metodo proposto in esperimenti reali, in collaborazione con le principali strutture laser di tutto il mondo.

"La sfida principale che prevediamo è quella di produrre effettivamente la massima intensità di luce possibile (fino a 1028 W/cm2) in un ambiente reale con imperfezioni sperimentali (sia laser che mira) e tempo di fascio limitato," hanno detto Vincenti e Zaim. "Identificare e mitigare gli ostacoli che ci attendono richiederà la combinazione di competenze teoriche, numeriche e sperimentali."

I ricercatori prevedono che nei primi esperimenti saranno in grado di creare una luce potenziata con intensità intorno a 1025 W/cm2. Anche se queste intensità sarebbero ancora lontane dal limite di Schwinger, rappresenterebbero comunque un record mondiale, aprendo la strada a esperimenti SF-QED ad alto impatto che non sono mai stati eseguiti prima.

"Poi trarremmo vantaggio dal feedback degli esperimenti precedenti e dai futuri progressi nella tecnologia laser per aumentare gradualmente l'intensità della luce potenziata da qui fino al limite di Schwinger," hanno aggiunto Vincenti e Zaim. 'Ciò ci consentirà di ottenere interazioni sempre più spettacolari dominate dalla tecnologia SF-QED. Siamo quindi convinti che ci aspettano tempi entusiasmanti.'

Informazioni sulla rivista: Nature Physics, Physical Review Letters, arXiv

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