Jak światło oddziałuje z materią przy ekstremalnych intensywnościach, blisko limitu Schwingera?

10 czerwca 2024 funkcja

Artykuł ten został przeglądnięty zgodnie z procesem redakcyjnym Science X i zasadami. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

• sprawdzony pod kątem faktów
• publikacja recenzowana przez osoby z grupy naukowej
• zaufane źródło
• skorygowany

autor: Ingrid Fadelli, Phys.org

Eksperymentalne generowanie coraz intensywniejszych wiązek światła mogłoby pomóc odkryć nowe reżimy fizyczne występujące w obecności bardzo silnych pól elektromagnetycznych. Chociaż poczyniono pewne postępy w tym kierunku, fizycy jeszcze nie opracowali wiarygodnej strategii osiągania ekstremalnych intensywności światła.

Naukowcy z LIDYL, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay niedawno zaproponowali realistyczną metodę osiągnięcia niespotykanych dotąd intensywności światła w warunkach eksperymentalnych, wykorzystując ciasno skupione lasery z usprawnieniem Dopplera. Ta metoda, opisana w artykule opublikowanym w Physical Review Letters, pozwoliłaby teoretycznie na interakcje między światłem a materią zbliżone do granicy Schwingera.

'Artykuł wykorzystuje pomysł, który powstał w naszym zespole w Komisji Energi Atomowej i Energii Alternatywnych we Francji (CEA-LIDYL) w 2019 roku i od tego czasu był intensywnie badany, w szczególności we współpracy z Lawrence Berkeley National Laboratory (szczególnie pod kątem modelowania),' mówią Henri Vincenti i Neil Zaim, współautorzy artykułu, dla Phys.org.

'W ramach tej współpracy opracowujemy nową technikę produkcji źródła światła o niespotykanej dotąd intensywności i badamy, jak takie źródło światła może być wykorzystane do badania silnego obszaru pola kwantowej elektrodynamiki (SF-QED).'

QED, relatywistyczna teoria kwantowa elektrodynamiki, należy do jednej z najbardziej dokładnie sprawdzonych teorii fizyki. Jej silne pole, pozostaje jednak w dużej mierze niezbadane, ze względu na obecne trudności w jego eksperymentalnym sprawdzaniu.

'Teoria SF-QED została opracowana kilkadziesiąt lat temu i przewiduje pojawienie się nowych reżimów fizycznych w obecności bardzo silnych pól elektromagnetycznych, gdzie dominuje emisja promieniowania gamma i produkcja antymaterii (par elektron-pozyton) i gdzie nawet propagacja światła w próżni staje się nieliniowa,' mówią Vincenti i Zaim.'

'Na przykład, intensywny wiązka światła może modyfikować propagację innego wiązka światła przecinającego jego drogę, reżim, który nie jest opisany przez równania Maxwella, które są liniowe z istoty.'

Mocne pola są teoretycznie przewidziane do występowania w pobliżu masywnych obiektów astrofizycznych, w tym czarnych dziur i gwiazd neutronowych, a także podczas ekstremalnych zdarzeń astrofizycznych, takich jak rozbłyski gamma. Te kosmologiczne zjawiska nie są jeszcze w pełni zrozumiane, więc badanie skrajnych reżimów z nimi związanych w warunkach laboratoryjnych mogłoby przynieść wiele cennych informacji.

Do tej pory jednak naukowcy nie byli w stanie skutecznie odtworzyć zdominowanych przez SF-QED reżimów w warunkach eksperymentalnych. Niewiele eksperymentów, które próbowały to zrobić, polegało na dużych akceleratorach cząstek, które mogły jednak wykryć tylko niewielką liczbę procesów SF-QED.

'Te reżimy są trudne do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych, ponieważ zjawiska SF-QED występują, kiedy pola elektromagnetyczne zbliżają się do tzw. granicy Schwingera (~1018 V/m lub równoważnie ~1029 W/cm2); rzędy wielkości wyższe od najnowocześniejszej technologii laserowej, która może 'tylko' wytwarzać intensywności do ~1023 W/cm2,' mówią Vincenti i Zaim.

'W rzeczywistości często uważa się za niemożliwe osiągnięcie pola Schwingera w układzie laboratoryjnym. Tak więc, wszystkie dotychczasowe i proponowane eksperymenty polegają na osiągnięciu granicy Schwingera tylko w układzie spoczynku bardzo energetycznych cząstek.'

Vincenti, Zaim i ich koledzy mają nadzieję, że proponowana przez nich technika generowania wysoce intensywnego światła otworzy nowe możliwości dla badań. Konkretnie, mogłoby to ostatecznie pozwolić fizykom na zbliżenie się do tzw. granicy Schwingera w warunkach laboratoryjnych.

'W naszym artykule z 2019 roku potwierdziliśmy za pomocą najnowocześniejszych symulacji numerycznych możliwość realizacji naszej techniki zwiększania intensywności światła,' mówią Vincenti i Zaim.

'Nasze symulacje wskazały, że ta metoda może zwiększyć intensywność lasera PW o 2 do 5 rzędów wielkości, potencjalnie umożliwiając osiągnięcie zakresu intensywności 1025-1028 W/cm2 przy użyciu obecnej technologii laserowej. W artykule opublikowanym w 2021 roku w Nature Physics uzyskaliśmy pierwsze eksperymentalne potwierdzenie tego wyniku z użyciem lasera o bardziej umiarkowanej intensywności (~1019 W/cm2) klasy terawatowej (TW).'

W kolejnym artykule opublikowanym w 2021 roku, Vincenti i jego współpracownicy przedstawili wyniki dalszych symulacji numerycznych. Wyniki te wykazały, że nawet przy najniższych intensywnościach, które mają nadzieję osiągnąć za pomocą proponowanej metody (~1025 W/cm2), ulepszone światło byłoby wystarczające do wytriggerowania znacznie więcej zjawisk SF-QED niż te badane przez konwencjonalny laser PW.

'To może prowadzić do nowego rodzaju eksperymentów SF-QED w nadchodzących latach,' – mówią Vincenti i Zaim. 'W tym przypadku jednak nadal jesteśmy bardzo daleko od osiągnięcia limitu Schwingera w ramach laboratoryjnej, gdyż przekracza go tylko układ odniesienia energetycznych cząstek.'

Badacze już przeprowadzili różne symulacje numeryczne, aby teoretycznie potwierdzić swoją metodę, jednak jedna z jej potencjalnych zastosowań jeszcze nie została zbadana. Konkretnie, zespół nie badał jeszcze jej potencjału do zbliżania się do limitu Schwingera w laboratorium.

'Odpowiada to największym natężeniom, które mamy nadzieję osiągnąć za pomocą naszej techniki zwiększania jasności światła (~1028 W/cm2),' mówią Vincenti i Zaim. 'Celem tej nowej publikacji było zbadanie scenariuszy fizycznych, które dochodzą do głosu w tych nieznanych jeszcze obszarach, przy użyciu najnowocześniejszych narzędzi numerycznych. Takie wyniki są bardzo ważne, aby zmotywować, zdefiniować i przygotować przyszłe pokolenia eksperymentów SF-QED.'

Technika zaproponowana przez Vincentiego i jego kolegów do produkcji światła o niespotykanym natężeniu wykorzystuje interakcję między laserem PW a płaskim solidnym celem, który jest jonizowany do formy plazmy. Badacze zaproponowali bombardowanie optycznie polerowanego solidnego celu wiązką laserową o ultrawysokim natężeniu, prowadząc do utworzenia tzw. lustra plazmowego.

To lustro plazmowe odbija padające światło i jest też poruszane przez intensywne pole laserowe. Ten ruch powoduje tymczasowe skompresowanie odbitego impulsu laserowego, który jest następnie przekształcany na krótszą falę dzięki efektowi Dopplera. Ciśnienie promieniowania od lasera nadaje lustru plazmowemu naturalne zakrzywienie, skupiając wiązkę o zwiększonej częstotliwości na mniejsze plamy i teoretycznie powodując zwiększenie intensywności w tych plamach o ponad trzy rzędy wielkości.

'Kluczowym dodatkowym składnikiem, który jest potrzebny do osiągnięcia najwyższych natężeń zbliżonych do limitu Schwingera (powiedzmy ~1028 W/cm2, a nie ~1025 W/cm2), jest możliwość skupienia zwiększonego światła na najmniejszą możliwą objętość,' tłumaczą Vincenti i Zaim.

'Aktualnie badamy kilka ścieżek, aby osiągnąć takie mocne skupienie w eksperymentach, na przykład, poprzez użycie zewnętrznej optyki do ponownego skupienia w ultrafiolecie. Niektóre z tych technik wyglądają już bardzo obiecująco i będą tematem przyszłych publikacji.'

W swoim ostatnim artykule Vincenti i Zaim nie robili założeń na temat metody używanej do mocnego skupienia światła o zwiększonej przez efekt Dopplera częstotliwości, co pozwoliłoby im przedstawić różne potencjalne opcje w ich symulacjach numerycznych. Zamiast tego po prostu założyli, że mogą skupić światło na najmniejszą możliwą objętość (tj. na jego granice dyfrakcji).

'Wyniki, które uzyskaliśmy są bardzo ekscytujące, ponieważ pokazują, że zbliżanie się do limitu Schwingera w laboratorium prowadzi do nowych i niezwykle bogatych scenariuszy interakcji światło-materia, leżących na granicy współczesnej fizyki,' mówią Vincenti i Zaim.

'Prosta interakcja między naszym zwiększonym światłem a solidnym celem prowadzi do profuzji zdarzeń SF-QED, które dominują nad fizyką. Zazwyczaj między 30% a 50% energii zwiększonego światła jest przekształcane w promieniowanie gamma i pary elektron-pozyton w ciągu kilkunastu femtosekund przez procesy SF-QED.'

Symulacje numeryczne przeprowadzone przez badaczy pokazały również, że ich metoda prowadzi do wytworzenia gamma photonów i par elektron-pozyton zgrupowanych w gęste kule ognia, które poruszają się z prędkością światła. Chociaż te kule ognia mają krótki czas życia wynoszący około 1 fs, zespół sądzi, że mogą one naśladować strumienie elektronów/pozytonów, które istnieją w pobliżu czarnych dziur i gwiazd neutronowych, co pomaga odkrywać pochodzenie promieniowania, które one emitują.

'Przy najwyższych natężeniach, które mogliśmy uznać za całkiem realistyczne (>1028 W/cm2), odkryliśmy, że fizyka staje się jeszcze bardziej radykalna: zaczynają występować łańcuchowe reakcje tworzenia cząstek,' mówią Vincenti i Zaim.

'Innymi słowy, fotony i pary elektron-pozyton tworzą nowe fotony i pary, co powoduje wykładniczy wzrost gęstości kul ognia do ponad 5000 razy większej od gęstości ciała stałego. Nie jest zbyt nierozsądne myśleć, że taki mechanizm reakcji łańcuchowej ma potencjał do stworzenia nowych zaawansowanych źródeł wybuchów gamm i antymaterii.'

Vincenti, Zaim i jego koledzy teoretycznie pokazali, że zderzenie ich światła o zwiększonej częstotliwości dzięki efektowi Dopplera z energetycznym wiązką elektronów pochodzącą z akceleratora cząstek mogłoby również prowadzić do ciekawych wyników. W tej konfiguracji, pole w układzie spoczynku elektronów staje się tak wysokie, że zakłóca teorię przybliżoną opracowaną dla SF-QED.

'Innymi słowy, nie mamy do dzisiaj pojęcia, co by się stało w takim eksperymencie,' tłumaczą Vincenti i Zaim.

„Ten brak ram teoretycznych wynika prawdopodobnie zarówno ze złożoności matematycznej nieperturbacyjnej teorii pola kwantowego, jak i z faktu, że badacze przez wiele lat uważali, że niemożliwe będzie osiągnięcie tak wysokich pól elektrycznych w układzie spoczynkowym elektronu. Przypuszczamy, że tego rodzaju wyniki jeszcze bardziej ożywią zainteresowanie nieperturbacyjnym reżimem SF-QED i pobudzą rozwój nowych ram teoretycznych lub numerycznych lepiej dostosowanych do tego reżimu.

Wyniki zebrane dotychczas przez badaczy sugerują, że przeprowadzenie eksperymentów w pobliżu granicy Schwingera przyniosłoby nowe, ekscytujące wyniki, które mogłyby wnieść ogromny wkład w dziedziny fizyki plazmy i QED. W kolejnych badaniach planują rozpocząć stosowanie proponowanej metody w rzeczywistych eksperymentach, we współpracy z głównymi obiektami laserowymi na całym świecie.

„Głównym wyzwaniem, jakiego się spodziewamy, jest faktyczne wytworzenie możliwie najwyższego natężenia światła (do 1028 W/cm2) w rzeczywistym środowisku z niedoskonałościami eksperymentalnymi (zarówno laserowymi, jak i celowanymi) oraz ograniczonym czasem świecenia” – stwierdzili Vincenti i Zaim. „Identyfikacja i łagodzenie nadchodzących przeszkód będzie wymagało połączenia wiedzy teoretycznej, numerycznej i eksperymentalnej”.

Naukowcy prognozują, że w pierwszych eksperymentach uda im się wytworzyć wzmocnione światło o natężeniu około 1025 W/cm2. Chociaż te intensywności nadal byłyby dalekie od limitu Schwingera, nadal stanowiłyby rekord świata, torując drogę dla niezwykle skutecznych eksperymentów SF-QED, które nigdy wcześniej nie były przeprowadzane.

„Następnie wykorzystalibyśmy informacje zwrotne z poprzednich eksperymentów i przyszłego postępu w technologii laserowej, aby stopniowo zwiększać zwiększone natężenie światła od tego momentu aż do granicy Schwingera” – dodali Vincenti i Zaim. „Pozwoli nam to uzyskiwać coraz bardziej spektakularne interakcje zdominowane przez SF-QED. Jesteśmy zatem przekonani, że przed nami ekscytujące czasy”.

Informacje o czasopismach: Nature Physics, Physical Review Letters, arXiv

© 2024 Sieć Science X