De meest intense laser ter wereld staat op het punt een stroomupgrade te krijgen met $ 2 miljoen van de National Science Foundation.

Met meer laserenergie om te focussen, onderzoekers van de Universiteit van Michigan en medewerkers van over de hele wereld kunnen betere tafelmodellen maken die deeltjes- en röntgenstralen produceren voor medische en nationale veiligheidstoepassingen - en ook mysteries in de astrofysica en het kwantumrijk onderzoeken.

De kracht van de HERCULES-laser komt van een reeks van vijf ingebouwde "pomp"-lasers die ultrakorte lichtpulsen versterken. Om de kracht van HERCULES te verhogen van 300 biljoen watt, of terawatt (TW), tot 500 of zelfs 1, 000 TW, de onderzoekers zullen de laatste drie van die pomplasers vervangen.

Als HERCULES 1 kan bereiken, 000 TW, het zou opnieuw een van de krachtigste lasers in de VS zijn. de krachtstoot zal de ante op zijn intensiteitsrecord verhogen - momenteel 20 sextillion (2x1022) watt per vierkante centimeter. De verbeterde HERCULES zou die intensiteit moeten kunnen verdubbelen of zelfs verdrievoudigen.

Een decennium geleden, toen ingenieurs in Michigan voor het eerst HERCULES bouwden, de commerciële pomplasers waarop het systeem vertrouwt, konden niet de ambitieuze 300 TW bereiken - destijds recordbrekend - die de onderzoekers in gedachten hadden. Ze moesten hun eigen pomplasers bouwen. Nutsvoorzieningen, gedreven door een vraag van internationale projecten die streven naar vermogensniveaus ten noorden van 10, 000 TW, commerciële pomplasers kunnen de zelfgemaakte versies die tegenwoordig in HERCULES worden gebruikt, overtreffen. Deze nieuwe technologie zal HERCULES naar meer kracht en intensiteit duwen dan ooit tevoren.

"Deze upgrade maakt een breed scala aan verschillende experimenten mogelijk, " zei Karl Krushelnick, U-M hoogleraar nucleaire techniek en radiologische wetenschappen en directeur van het Center for Ultrafast Optical Science, waarin HERCULES is gehuisvest. "Er zijn van die opwindende toepassingen, en het opent ook een nieuw regime aan de grens van de plasmafysica, waar kwantumverschijnselen een belangrijke rol gaan spelen."

Dit is waar onderzoekers naar uit moeten kijken:

• Tafelversnellers:Conventionele deeltjesversnellers zijn vaak honderden meters lang, maar laserlicht kan de versnelling van deeltjes aandrijven en andere hoogenergetische bundels zoals röntgenstralen produceren in slechts een paar vierkante meter of minder. In de toekomst, lasergestuurde deeltjesversnellers kunnen helpen bij het onthullen van nieuwe fysica of het aandrijven van ultracompacte röntgenlasers. Deeltjes- en röntgenstralen kunnen ook worden gebruikt om de aanwezigheid van nucleair materiaal te bepalen in zeecontainers die in havens aankomen. Ze worden gebruikt voor medische behandelingen zoals bestralingstherapie.
• Röntgenstralen die onderscheid maken tussen zachte weefsels:röntgenstralen met hoge energie die worden uitgezonden door laserversnellers kunnen geavanceerde röntgenbeeldvorming mogelijk maken die de grenzen tussen zachte weefsels kan vinden, in tegenstelling tot conventionele röntgenstralen, die het beste zijn in het uitkiezen van dichte materialen zoals bot. Wanneer de röntgenstralen van een laserversneller door verschillende materialen gaan, hun golven lopen in verschillende mate uit de pas, en dit kan onderscheid maken tussen een long en een hart, bijvoorbeeld. Deze meetmethode zou goedkoper zijn en snellere resultaten opleveren dan een MRI.
• Uitbarstingen van gammastraling - astrofysische mysteries:hoe worden in de ruimte uitbarstingen van krachtige elektromagnetische straling geproduceerd die niet langer dan een paar seconden duren? Eén theorie stelt dat zeer sterke magnetische velden, bijvoorbeeld in de buurt van zwarte gaten, kan uit elkaar vallen. Wanneer de magnetische veldlijnen weer bij elkaar komen, kunnen ze deeltjes versnellen die deze krachtige uitbarstingen van elektromagnetische energie in de vorm van gammastralen vrijgeven. Door de HERCULES-laser in het laboratorium te gebruiken, het team kan sterke magnetische velden creëren op microscopisch kleine schalen die op dezelfde manier uit elkaar kunnen vallen en opnieuw kunnen verbinden, licht werpen op de vraag of dit echt het mechanisme achter gammastraaluitbarstingen is.
• Vragen over kwantumelektrodynamica met een sterk veld:kwantumelektrodynamica - de kwantumbeschrijving van licht en zijn interacties met materie - is in sommige extreme situaties niet voldoende getest. Bijvoorbeeld, wanneer elektrische velden sterk genoeg zijn, het fenomeen van "koken van het vacuüm" wordt voorspeld:materie en antimaterie kunnen spontaan uit het niets verschijnen. Dergelijke sterke elektrische velden kunnen worden aangetroffen in atmosferen van neutronensterren, bijvoorbeeld. De verbeterde HERCULES-laser kan deze omgevingen simuleren door elektronen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid, zodat - vanuit het gezichtspunt van de elektronen - de velden sterk genoeg zijn om deeltjes uit het vacuüm te genereren. Door te kijken hoe de elektronen zich gedragen, onderzoekers kunnen afleiden of de voorspellingen van kwantumelektrodynamica juist zijn.

Krushelnick verwacht dat de uitgebreide mogelijkheden van HERCULES onderzoekers van U-M die gespecialiseerd zijn in deze gebieden in staat zullen stellen experimenten uit te voeren die voorheen onmogelijk waren. In aanvulling, HERCULES drijft experimenten aan voor onderzoekers in de VS en in het buitenland, dus de upgrade zal het waardevoller maken als een nationale wetenschappelijke bron.