Hur interagerar ljus med materia vid extrem intensiteter, nära Schwinger-gränsen?

10 juni 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X's redaktionella process och policys. Redaktörer har framhävt följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• Faktagranskad
• Peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• Korrekturläst

av Ingrid Fadelli, Phys.org

Den experimentella skapandet av allt mer intensiva ljusstrålar kan hjälpa till att avslöja nya fysiska regimer som uppstår i närvaron av mycket starka elektromagnetiska fält. Även om vissa framsteg har gjorts mot detta mål, har fysiker ännu kvar att utveckla en pålitlig strategi för att uppnå extrema ljusintensiteter.

Forskare vid LIDYL, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay föreslog nyligen en realistisk metod för att uppnå oöverskådliga ljusintensiteter i experimentella inställningar, med hjälp av tät fokuserade doppler-förstärkta lasrar. Denna metod, som beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters, upptäcktes teoretiskt sett att möjliggöra ljus-materia interaktioner nära Schwinger-gränsen.

'Artikeln utnyttjar en idé som uppkom i vårt team vid Frankrikes Alternativa energier och Atomenergikommission (CEA-LIDYL) 2019 och som har studerats mycket sedan dess i samarbete med Lawrence Berkeley National Laboratory (särskilt vad gäller modelleringsaspekter),' berättade Henri Vincenti och Neil Zaim, medförfattare till artikeln, för Phys.org.

'Inom detta samarbete utvecklar vi en ny teknik för att producera en ljuskälla med en aldrig tidigare skådad intensitet och forskar om hur en sådan ljuskälla skulle kunna användas för att utforska det starka fältsregimen för kvantumelektrodynamik (SF-QED).'

QED, den relativistiska kvantteorin för elektrodynamik, är en av de mest noggrant testade fysikteorierna. Dess starka-fält-regim är dock fortfarande till stor del outforskad, på grund av nuvarande svårigheter att studera den experimentellt.

'Teorin för SF-QED har utvecklats för decennier sedan och förutsäger framväxten av nya fysiska regimer i närvaron av mycket starka elektromagnetiska fält, där gammastrålning och antimateria (elektron-positronpar) är utbrett, och där till och med ljusets utbredning i vakuum blir icke-linjär,' sa Vincenti och Zaim.

'Till exempel kan en intensiv ljusstråle ändra utbredningen av en annan ljusstråle som korsar dess väg, ett regime som inte beskrivs av Maxwells ekvationer som är linjära i grunden.'

Starka fältregimer antas inträffa i närheten av massiva astrofysiska objekt, inklusive svarta hål och neutronstjärnor, samt under extrema astrofysiska händelser, såsom gammastrålningsbrott. Dessa kosmologiska fenomen är ännu inte fullständigt förstådda, så att studera de extrema regimer som är förknippade med dem i laboratoriemiljöer kan vara mycket insiktsfullt.

Ända tills nu har dock forskare inte kunnat framgångsrikt reproducera SF-QED-dominerade regimer i experimentella inställningar. De få experiment som har försökt göra det förlitade sig på storskaliga partikelacceleratorer, men de kunde bara detektera ett litet antal SF-QED-processer.

'Dessa regimer är svåra att reproducera i en laboratoriemiljö eftersom SF-QED-fenomen inträffar när elektromagnetiska fält närmar sig den så kallade Schwinger-gränsen (~1018 V/m eller motsvarande ~1029 W/cm2); flera storleksordningar över toppmodern laserteknik, som 'endast' kan producera intensiteter upp till ~1023 W/cm2,' sa Vincenti och Zaim.

'Faktum är att det ofta anses omöjligt att nå Schwinger-fältet i laboratorieramen. Därför förlitar sig alla tidigare och föreslagna experiment på att nå Schwinger-gränsen enbart i vilo-ramen för mycket energiska partiklar.'

Vincenti, Zaim och deras kollegor hoppas att deras föreslagna teknik för att generera mycket intensivt ljus kommer att öppna nya möjligheter för forskning. Specifikt skulle det så småningom kunna tillåta fysiker att närma sig den så kallade Schwinger-gränsen i en laboratoriemiljö.

'I vår artikel från 2019 verifierade vi med toppmodern numerisk simulering genomförbarheten av vår teknik för ljusförstärkning,' sa Vincenti och Zaim.

'Våra simuleringar indikerade att denna metod skulle kunna öka intensiteten hos en PW-laser med 2 till 5 storleksordningar, vilket potentiellt gör 1025-1028 W/cm2-intensitetsintervallet tillgängligt med nuvarande laserteknologi. I en artikel publicerad i Nature Physics 2021 erhöll vi en första experimentell bekräftelse av detta resultat med en mer måttlig intensitet (~1019 W/cm2) terawatt (TW) -klasslaser.'

I en vidare artikel som publicerades 2021 redogjorde Vincenti och hans medarbetare för resultaten av ytterligare numeriska simuleringar. Dessa resultat visade att även vid de lägsta intensiteterna som de hoppas uppnå med sin föreslagna metod (~1025 W/cm2), skulle det förbättrade ljuset vara tillräckligt för att utlösa betydligt mer SF-QED-fenomen än de som testats av en konventionell PW-laser.

'Det här kan leda till en ny typ av SF-QED-experiment på kommande år,' sade Vincenti och Zaim. 'I det här fallet är vi dock fortfarande flera storleksordningar från att nå Schwinger-gränsen i laboratorieramen, eftersom den bara överskrids i vilorummet för energirika partiklar.'

Medan forskarna redan hade kört olika numeriska simuleringar för att teoretiskt validera deras tillvägagångssätt, var en av dess potentiella tillämpningar ännu inte utforskad. Specifikt hade teamet ännu inte utforskat dess potential för att närma sig Schwinger-gränsen i en laboratorieram.

‘Detta motsvarar de högsta intensiteterna som vi hoppas uppnå med vår ljusförstärkningsteknik (~1028 W/cm2),' sa Vincenti och Zaim. 'Syftet med denna nya artikel var att undersöka de fysiska scenarier som kommer på spel i dessa outforskade territorier, med hjälp av toppmodern numeriska verktyg. Sådana resultat är mycket viktiga för att motivera, definiera och förbereda framtida generationer av SF-QED-experiment.'

För att producera ljus av en osedvanlig intensitet, utnyttjar tekniken som föreslogs av Vincenti och hans kollegor interaktionen mellan en PW-laser och en plan fast måltavla, som joniseras till ett plasma. Specifikt föreslog forskarna att slå på en optiskt polerad fast måltavla med en laserstråle av mycket hög intensitet, vilket leder till bildandet av en så kallad plasmaspegel.

Den här plasmaspegeln reflekterar det påföljande ljuset och rör sig också av det intensiva laserfältet. Denna rörelse resulterar i en tillfällig komprimering av den reflekterade laserpulsen, som sedan omvandlas till en kortare våglängd av Dopplereffekten. Strålningstrycket från lasern ger plasmaspegeln en naturlig kurvatur, vilket fokuserar den dopplerförstärkta strålen på mindre fläckar och teoretiskt producerar intensitetsvinst på över tre storleksordningar på dessa fläckar.

'Den extra nyckelingrediensen som krävs för att nå de högsta intensiteterna som närmar sig Schwinger-gränsen (säg ~1028 W/cm2, snarare än ~1025 W/cm2), är förmågan att fokusera det förstärkta ljuset ned till dess minsta möjliga volym,' förklarade Vincenti och Zaim.

'Vi utforskar just nu flera vägar för att uppnå en sådan tät fokusering i experiment, till exempel genom att använda extern omfokusering av extremt ultraviolett optik. Vissa av dessa tekniker ser redan mycket lovande ut och kommer att vara föremål för framtida publikationer.'

I sin senaste artikel gjorde Vincenti och Zaim inga antaganden om metoden som används för att tätt fokusera det dopplerförstärkta ljuset, eftersom detta skulle tillåta dem att representera olika potentiella alternativ i deras numeriska simuleringar. Istället antog de bara att de kunde fokusera ljuset ner till sin minsta möjliga volym (dvs dess diffraktionsgräns).

'Resultaten vi har uppnått är mycket spännande, eftersom de visar att närmandet till Schwinger-gränsen i laboratorieramen leder till nya och extremt rika ljus-materia-interaktionsscenerier, som ligger på gränsen till modern fysik,' sa Vincenti och Zaim.

'Den enkla interaktionen mellan vårt förstärkta ljus och en fast måltavla leder till en proppfull av SF-QED-händelser som dominerar fysiken. Typiskt konverteras mellan 30% och 50% av den förstärkta ljusenergin till gamma-strålar och elektron-positronpar under några tiotals femtosekunder av SF-QED-processer.'

De numeriska simuleringarna som forskarna körde visade också att deras metod leder till att genererade gammafotoner och elektron-positronpar klumpas ihop i täta eldbollar som rör sig i ljusets hastighet. Även om dessa eldbollar har en kort livslängd på ungefär 1 fs, tror teamet att de kan efterlikna elektron/positronstrålarna som existerar i närheten av svarta hål och neutronstjärnor, så att de hjälper till att avslöja ursprunget till strålningen de sänder ut.

'Vid de högsta intensiteter som vi rimligtvis kan överväga (>1028 W/cm2), upptäckte vi att fysiken blir ännu mer radikal: kedjereaktioner av partikelskapande börjar förekomma,' sade Vincenti och Zaim.

'Med andra ord, fotoner och elektron-positronpar skapar själva nya fotoner och par, vilket ökar densiteten av de eldbollar upp till mer än 5 000 gånger densiteten av en fast. Det är inte helt orimligt att tänka sig att en sådan kedjereaktionsmekanism har potential att ge upphov till nya avancerade källor till gamma-strålblixtar och antimateria.'

Vincenti, Zaim och hans kollegor visade teoretiskt att kollisionen av deras dopplerförstärkta ljus med en energirik elektronstråle från en partikelaccelerator också kan leda till intressanta resultat. I denna konfiguration blir fältet i vilorummet för elektronerna så högt att den störande teorin som utvecklats för SF-QED bryter samman.

‘Med andra ord, vi har idag ingen aning om vad som skulle hända i ett sådant experiment,’ förklarade Vincenti och Zaim.

"Denna brist på teoretiska ramar beror sannolikt både på den matematiska komplexiteten hos icke-perturbativ kvantfältteori och på det faktum att forskare i många år trodde att det skulle vara omöjligt att nå så höga elektriska fält i en elektrons vila. Vår gissning är att den här typen av resultat ytterligare kommer att återuppliva intresset för den icke-perturbativa regimen hos SF-QED och stimulera utvecklingen av nya teoretiska eller numeriska ramverk som är bättre lämpade för denna regim.'

Resultaten som forskarna hittills samlat in tyder på att att utföra experiment nära Schwinger-gränsen skulle ge spännande nya resultat som i hög grad skulle kunna bidra till områdena plasmafysik och QED. I sina nästa studier planerar de att börja tillämpa sin föreslagna metod i verkliga experiment, i samarbete med stora laseranläggningar världen över.

"Den största utmaningen som vi förväntar oss är att faktiskt producera högsta möjliga ljusintensitet (upp till 1028 W/cm2) i en verklig miljö med experimentella imperfektioner (både laser och mål) och begränsad stråltid," sa Vincenti och Zaim. "Att identifiera och mildra de hinder som ligger framför kommer att kräva en kombination av teoretisk, numerisk och experimentell expertis."

Forskarna förutspår att de i de första experimenten kommer att kunna skapa förstärkt ljus med intensiteter runt 1025 W/cm2. Även om dessa intensiteter fortfarande skulle vara långt från Schwinger-gränsen, skulle de fortfarande vara ett världsrekord, vilket banar väg för SF-QED-experiment med hög effekt som aldrig har utförts tidigare.

"Vi skulle då dra nytta av feedbacken från tidigare experiment och framtida framsteg inom laserteknik för att gradvis öka den förstärkta ljusintensiteten härifrån upp till Schwinger-gränsen," tillade Vincenti och Zaim. "Detta kommer att tillåta oss att få fler och mer spektakulära SF-QED-dominerade interaktioner. Vi är därför övertygade om att det är spännande tider framför oss.

Tidskriftsinformation: Nature Physics , Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network