Hoe interageert licht met materie op extreme intensiteiten, nabij de Schwinger limiet?

10 juni, 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt tijdens het waarborgen van de geloofwaardigheid van de inhoud:

• feitelijk gecontroleerd
• beoordeeld door vakgenoten
• bekende bron
• gecorrigeerd

door Ingrid Fadelli, Phys.org

De experimentele generatie van steeds intensievere lichtbundels kan helpen om nieuwe fysische regimes te onthullen die plaatsvinden in de aanwezigheid van zeer sterke elektromagnetische velden. Hoewel er enige vooruitgang is geboekt in deze richting, moeten fysici nog een betrouwbare strategie ontwikkelen om extreme lichtintensiteiten te bereiken.

Onderzoekers van LIDYL, CEA, CNRS en Université Paris-Saclay hebben onlangs een realistische methode voorgesteld om ongekende lichtintensiteiten te bereiken in experimentele omgevingen, met behulp van nauw gefocuste doppler-gebooste lasers. Deze methode, beschreven in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters, bleek theoretisch in staat om licht-materie interacties mogelijk te maken nabij de Schwinger-limiet.

'Het paper maakt gebruik van een idee dat in 2019 in ons team bij de Franse Commissie voor Alternatieve Energieën en Kernenergie (CEA-LIDYL) naar voren kwam en dat sindsdien uitvoerig is bestudeerd in samenwerking met het Lawrence Berkeley National Laboratory (vooral wat betreft de modelleringsaspecten),' vertelden Henri Vincenti en Neil Zaim, medeauteurs van het paper, aan Phys.org.

'Binnen deze samenwerking ontwikkelen we een nieuwe techniek om een lichtbron te produceren met een ongekende intensiteit en om te onderzoeken hoe zo'n lichtbron gebruikt zou kunnen worden om het sterke veldregime van kwantumelektrodynamica (SF-QED) te verkennen.'

Er zijn nog steeds nauwelijks mogelijkheden om het sterke-veldregime van QED, de relativistische kwantumtheorie van de elektrodynamica, die een van de meest nauwkeurig geteste natuurkundetheorieën is, experimenteel te verkennen.

'De theorie van SF-QED is decennia geleden ontwikkeld en voorspelt het ontstaan van nieuwe fysieke regimes in de aanwezigheid van zeer sterke elektromagnetische velden, waar gamma-straling en antimaterie (elektron-positron paren) overheersen en waar zelfs lichtvoortplanting in vacuüm niet-lineair wordt,' aldus Vincenti en Zaim.

'Zo kan een intense lichtbundel de voortplanting van een andere lichtbundel die zijn pad kruist, wijzigen, een regime dat niet wordt beschreven door de wiskundige vergelijkingen van Maxwell, die lineair van aard zijn.'

Sterke veldregimes worden verondersteld op te treden in de nabijheid van massieve astrofysische objecten, zoals zwarte gaten en neutronensterren, evenals tijdens extreme astrofysische gebeurtenissen, zoals gammaflitsen. Deze kosmologische verschijnselen zijn nog niet volledig begrepen, en daarom kan het bestuderen van de extreme regimes die ermee verband houden in laboratoriumomgevingen zeer inzichtelijk blijken te zijn.

Tot nu toe zijn wetenschappers er echter niet in geslaagd om SF-QED gedomineerde regimes in experimentele omgevingen te reproduceren. De paar experimenten die dit probeerden te doen, waren afhankelijk van deeltjesversnellers van grote schaal, maar ze konden slechts een klein aantal SF-QED-processen detecteren.

'Deze regimes zijn moeilijk te reproduceren in een laboratoriumomgeving omdat SF-QED-fenomenen optreden wanneer elektromagnetische velden de zogenaamde Schwinger-limiet (~1018 V/m of equivalent ~1029 W/cm2) benaderen; ordes van grootte boven de state-of-the-art lasertechnologie, die 'slechts' intensiteiten tot ~1023 W/cm2 kan produceren', aldus Vincenti en Zaim.

'In feite wordt het vaak onmogelijk geacht om het Schwinger-veld te bereiken in het laboratoriumkader. Daarom zijn alle vorige en voorgestelde experimenten afhankelijk van het bereiken van de Schwinger-limiet alleen in het rustframe van zeer energierijke deeltjes.'

Vincenti, Zaim en hun collega's hopen dat hun voorgestelde techniek om sterk intens licht op te wekken nieuwe kansen voor onderzoek zal openen. In het bijzonder zou het uiteindelijk natuurkundigen in staat kunnen stellen om de zogenaamde Schwinger-limiet in een laboratoriumomgeving te benaderen.

'In ons paper uit 2019 hebben we met behulp van state-of-the-art numerieke simulaties de haalbaarheid van onze lichtversterkingstechniek gevalideerd,' zeiden Vincenti en Zaim.

'Onze simulaties gaven aan dat deze methode de intensiteit van een PW-laser met 2 tot 5 ordes van grootte kan verhogen, waardoor het 1025-1028 W/cm2 intensiteitsbereik binnen het bereik van de huidige lasertechnologie zou kunnen vallen. In een paper uit 2021 dat in Nature Physics werd gepubliceerd, verkregen we een eerste experimentele bevestiging van dit resultaat met een matiger intensiteit (~1019 W/cm2) terawatt (TW)-klasse laser.'

In een verdere paper, gepubliceerd in 2021, beschreven Vincenti en zijn medewerkers de resultaten van verdere numerieke simulaties. Deze resultaten toonden aan dat zelfs bij de laagste intensiteiten die ze hopen te bereiken met hun voorgestelde methode (~1025 W/cm2), het versterkte licht voldoende zou zijn om veel meer SF-QED-fenomenen te activeren dan die onderzocht worden door een conventionele PW-laser.

'Dit zou kunnen leiden tot een nieuw soort SF-QED-experimenten in de komende jaren', aldus Vincenti en Zaim. 'In dit geval zijn we echter nog steeds ordes van grootte verwijderd van het bereiken van de Schwinger-limiet in het laboratorium, aangezien deze alleen wordt overschreden in het rustframe van energierijke deeltjes.'

Hoewel de onderzoekers al verschillende numerieke simulaties hadden uitgevoerd om hun aanpak theoretisch te valideren, moest een van de potentiële toepassingen nog worden verkend. Specifiek had het team het potentieel voor het benaderen van de Schwinger-limiet in een laboratoriumframe nog niet onderzocht.

'Dit komt overeen met de hoogste intensiteiten die we hopen te bereiken met onze lichtversterkende techniek (~1028 W/cm2)', zeggen Vincenti en Zaim. 'Het doel van dit nieuwe document was om de fysische scenario's te onderzoeken die een rol spelen in deze onbekende gebieden, met behulp van geavanceerde numerieke tools. Dergelijke resultaten zijn zeer belangrijk om de toekomstige generaties van SF-QED-experimenten te motiveren, definiëren en voor te bereiden.'

Om een ​​nog niet eerder vertoonde lichtintensiteit te produceren, benut de door Vincenti en zijn collega's voorgestelde techniek de interactie tussen een PW-laser en een plat vast doelwit, dat in plasma wordt geïoniseerd. Specifiek stelden de onderzoekers voor om een ​​optisch gepolijst vast doelwit te treffen met een laserstraal met ultrahoge intensiteit, wat leidt tot de vorming van een zogenaamde plasma spiegel.

Deze plasma spiegel reflecteert het invallende licht en wordt ook verplaatst door het intense laser veld. Deze beweging resulteert in de tijdelijke compressie van de gereflecteerde laserpuls, die vervolgens wordt geconverteerd naar een kortere golflengte door het Doppler-effect. De stralingsdruk van de laser geeft de plasma spiegel een natuurlijke kromming, waarbij de Doppler-versterkte straal wordt gefocust op kleinere plekken en in theorie een intensiteitswinst van meer dan drie ordes van grootte in deze plekken produceert.

'Het belangrijkste extra ingrediënt dat nodig is om de hoogste intensiteiten te bereiken die de Schwinger-limiet benaderen (zeg ~1028 W/cm2 in plaats van ~1025 W/cm2), is het vermogen om het versterkte licht te focussen op zijn kleinst mogelijke volume', leggen Vincenti en Zaim uit.

'We zijn momenteel verschillende paden aan het verkennen om een dergelijke nauwe focus in experimenten te bereiken, bijvoorbeeld door het gebruik van externe herfocusserende extreem ultraviolette optica. Sommige van deze technieken lijken al zeer belovend en zullen het onderwerp zijn van toekomstige publicaties.'

In hun recente paper maakten Vincenti en Zaim geen aannames over de methode die wordt gebruikt om het Doppler-versterkte licht strak te focussen, omdat dit hen in staat zou stellen om verschillende mogelijke opties in hun numerieke simulaties te vertegenwoordigen. In plaats daarvan gingen ze er gewoon van uit dat ze het licht konden focussen op zijn kleinst mogelijke volume (oftewel zijn diffractielimiet).

'De resultaten die we hebben behaald zijn zeer opwindend, omdat ze laten zien dat het benaderen van de Schwinger-limiet in het laboratorium tot nieuwe en extreem rijke licht-materie-interactiescenario's leidt, grenzend aan de grenzen van de moderne natuurkunde', aldus Vincenti en Zaim.

'De eenvoudige interactie tussen ons versterkte licht en een vast doelwit leidt tot een overvloed aan SF-QED-evenementen die de natuurkunde domineren. Meestal wordt tussen 30% en 50% van de energie van het versterkte licht omgezet in gammastraling en elektron-positronparen in een paar tientallen femtoseconden door SF-QED-processen.'

De numerieke simulaties uitgevoerd door de onderzoekers lieten ook zien dat hun methode leidt tot gegenereerde gammafotonen en elektron-positronparen die worden gebundeld in dichte vuurballen die met de snelheid van het licht bewegen. Hoewel deze vuurballen een korte levensduur van ongeveer 1 fs hebben, denken ze dat ze de elektron/positronstralen kunnen nabootsen die bestaan in de nabijheid van zwarte gaten en neutronensterren, waardoor ze helpen om de oorsprong van de straling die ze uitzenden te onthullen.

'Bij de hoogste intensiteiten die we redelijkerwijs kunnen overwegen (>1028 W/cm2), ontdekten we dat de fysica nog radicaler wordt: kettingreacties van deeltjesvorming beginnen plaats te vinden', zeiden Vincenti en Zaim.

'Met andere woorden, fotonen en elektron-positronparen creëren zelf nieuwe fotonen en paren, waardoor de dichtheid van de vuurballen exponentieel toeneemt tot meer dan 5.000 keer de dichtheid van een vaste stof. Het is niet te onredelijk om te denken dat een dergelijk kettingreactiemechanisme het potentieel heeft om nieuwe geavanceerde bronnen van gammastraling en antimaterie te genereren.'

Vincenti, Zaim en zijn collega's hebben theoretisch aangetoond dat de botsing van hun Doppler-versterkte licht met een energierijke elektronenbundel afkomstig van een deeltjesversneller ook interessante resultaten zou kunnen opleveren. In deze configuratie wordt het veld in rustframe van de elektronen namelijk zo hoog dat de perturbatieve theorie die voor SF-QED is ontwikkeld, niet meer van toepassing is.

'Met andere woorden, we hebben tot op de dag van vandaag geen idee wat er in een dergelijk experiment zou gebeuren', legden Vincenti en Zaim uit.

'Dit gebrek aan theoretisch raamwerk is waarschijnlijk zowel te wijten aan de wiskundige complexiteit van de niet-perturbatieve kwantumveldentheorie als aan het feit dat onderzoekers jarenlang dachten dat het onmogelijk zou zijn om zulke hoge elektrische velden te bereiken in het rustframe van een elektron. Onze inschatting is dat dit soort resultaten de belangstelling voor het niet-perturbatieve regime van SF-QED verder zullen doen herleven en de ontwikkeling van nieuwe theoretische of numerieke raamwerken zullen stimuleren die beter geschikt zijn voor dit regime.'

De resultaten die de onderzoekers tot nu toe hebben verzameld suggereren dat het uitvoeren van experimenten dicht bij de Schwinger-limiet opwindende nieuwe resultaten zou opleveren die een grote bijdrage zouden kunnen leveren op het gebied van plasmafysica en QED. In hun volgende onderzoeken zijn ze van plan hun voorgestelde methode in echte experimenten toe te passen, in samenwerking met grote laserfaciliteiten over de hele wereld.

‘De belangrijkste uitdaging die we verwachten is om daadwerkelijk de hoogst mogelijke lichtintensiteiten (tot 1028 W/cm2) te produceren in een echte omgeving met experimentele onvolkomenheden (zowel laser als richtapparatuur) en een beperkte straaltijd’, aldus Vincenti en Zaim. 'Het identificeren en verminderen van de hindernissen die ons te wachten staan, vereist de combinatie van theoretische, numerieke en experimentele expertise.'

De onderzoekers voorspellen dat ze in de eerste experimenten in staat zullen zijn versterkt licht te creëren met intensiteiten rond de 1025 W/cm2. Hoewel deze intensiteiten nog steeds ver verwijderd zijn van de Schwinger-limiet, zouden ze nog steeds een wereldrecord zijn en de weg vrijmaken voor SF-QED-experimenten met grote impact die nog nooit eerder zijn uitgevoerd.

'We zouden dan profiteren van de feedback van eerdere experimenten en van toekomstige vooruitgang in de lasertechnologie om de verhoogde lichtintensiteit vanaf hier geleidelijk te verhogen tot aan de Schwinger-limiet,' voegden Vincenti en Zaim eraan toe. 'Dit zal ons in staat stellen steeds meer spectaculaire, door SF-QED gedomineerde interacties te verkrijgen. Wij zijn er dan ook van overtuigd dat er spannende tijden aanbreken.'

Tijdschriftinformatie: Nature Physics, Physical Review Letters, arXiv

© 2024 Science X Netwerk