Door elektronen te raken met een ultra-intensieve laser, onderzoekers hebben dynamiek onthuld die verder gaat dan 'klassieke' fysica en hint naar kwantumeffecten.

Telkens wanneer licht een voorwerp raakt, een deel van het licht verstrooit terug vanaf het oppervlak van het object. Echter, als het object extreem snel beweegt, en als het licht ongelooflijk intens is, vreemde dingen kunnen gebeuren.

elektronen, bijvoorbeeld, kunnen zo hevig worden geschud dat ze juist langzamer gaan lopen omdat ze zoveel energie uitstralen. Natuurkundigen noemen dit proces 'stralingsreactie'.

Men denkt dat deze stralingsreactie plaatsvindt rond objecten zoals zwarte gaten en quasars (superzware zwarte gaten omgeven door een schijf van gas). Het kunnen meten van stralingsreacties in het laboratorium zal daarom inzicht geven in processen die plaatsvinden in enkele van de meest extreme omgevingen in het universum.

Stralingsreactie is ook interessant voor natuurkundigen die effecten bestuderen die verder gaan dan de 'klassieke' natuurkunde, aangezien de vergelijkingen (bekend als de vergelijkingen van Maxwell) die traditioneel de krachten definiëren die op objecten inwerken, tekortschieten in deze extreme omgevingen.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers onder leiding van Imperial College London heeft voor het eerst een stralingsreactie in het laboratorium aangetoond. Hun resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

Ze waren in staat om deze stralingsreactie waar te nemen door een laserstraal die één quadriljoen (een miljard miljoen) keer helderder is dan licht aan het oppervlak van de zon te laten botsen met een hoogenergetische bundel van elektronen. Het experiment, waarvoor extreme precisie en uitstekende timing vereist waren, werd bereikt met behulp van de Gemini-laser in de Central Laser Facility van de Science and Technology Facilities Council in het VK.

Fotonen van licht die reflecteren van een object dat dicht bij de lichtsnelheid beweegt, hebben hun energie verhoogd. In de extreme omstandigheden van dit experiment, dit verschuift het gereflecteerde licht van het zichtbare deel van het spectrum helemaal naar hoogenergetische gammastraling. Dit effect liet de onderzoekers weten wanneer ze met succes de balken hadden gebotst.

Senior auteur van de studie, Dr. Stuart Mangles van de afdeling Natuurkunde van Imperial, zei:"We wisten dat we erin waren geslaagd om de twee bundels te laten botsen toen we zeer heldere hoogenergetische gammastraling detecteerden.

"Het echte resultaat kwam toen we deze detectie vergeleken met de energie in de elektronenstraal na de botsing. We ontdekten dat deze succesvolle botsingen een lager dan verwachte elektronenenergie hadden, wat een duidelijk bewijs is van een stralingsreactie."

Studie co-auteur Professor Alec Thomas, van Lancaster University en de University of Michigan, toegevoegd:"Een ding dat ik hier altijd zo fascinerend aan vind, is dat de elektronen even effectief worden tegengehouden door deze lichtstraal, een fractie van een haarbreedte dik, als door zoiets als een millimeter lood. Dat is buitengewoon."

De gegevens van het experiment komen ook beter overeen met een theoretisch model gebaseerd op de principes van kwantumelektrodynamica, in plaats van de vergelijkingen van Maxwell, mogelijk een deel van het eerste bewijs van eerder niet-geteste kwantummodellen.

Studie co-auteur professor Mattias Marklund van Chalmers University of Technology, Zweden waarvan de groep betrokken was bij het onderzoek, zei:"Het testen van onze theoretische voorspellingen is van cruciaal belang voor ons bij Chalmers, vooral in nieuwe regimes waar veel te leren valt. In combinatie met theorie, deze experimenten vormen een basis voor laseronderzoek met hoge intensiteit in het kwantumdomein."

Er zullen echter meer experimenten met een nog hogere intensiteit of met nog hogere energie elektronenbundels nodig zijn om te bevestigen of dit waar is. Het team gaat deze experimenten het komende jaar uitvoeren.

Het team was in staat om het licht in het huidige experiment zo intens te maken door het te focussen op een zeer kleine plek (slechts een paar micrometer-miljoensten van een meter) en alle energie te leveren in een zeer korte tijdsduur (slechts 40 femtoseconden lang :40 quadriljoenste van een seconde).

Om de elektronenbundel klein genoeg te maken om te interageren met de gefocusseerde laser, het team gebruikte een techniek die 'laser wakefield-acceleratie' wordt genoemd.

De laser-wakefield-techniek vuurt nog een intense laserpuls af in een gas. De laser verandert het gas in een plasma en drijft een golf aan, het wakefield genoemd, erachter terwijl het door het plasma reist. Elektronen in het plasma kunnen op dit kielzog surfen en op zeer korte afstand zeer hoge energieën bereiken.