Elektromagnetische straling is alomtegenwoordig. Het komt in vele vormen, inclusief radiogolven, microgolven en hoogenergetische röntgenstralen en gammastralen. Maar wat, precies, is het?

Elektromagnetische straling is de energie die wordt uitgezonden door een geladen deeltje zoals een elektron wanneer het versnelt. Wanneer het versnellende deeltje deze energie vrijgeeft, het ervaart een terugstootkracht die een stralingsreactie wordt genoemd. Normaal gesproken, stralingsreactiekrachten zijn te klein om te overwegen, maar ze worden wel significant in laser-plasma-interacties en astrofysische contexten, waar hoog-elektromagnetische velden en hoog-elektronenergieën een rol gaan spelen.

Een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X presenteert bewijs van een stralingsreactie die optreedt wanneer een laserpuls met hoge intensiteit in botsing komt met een hoogenergetische elektronenstraal. Een team van wetenschappers ondersteund door de door de EU gefinancierde TeX-MEx- en SF-QFT-projecten voerde dit experiment uit met behulp van de Astra Gemini-laser van de Central Laser Facility in het Verenigd Koninkrijk.

De dual-beam Astra Gemini laser genereert twee gesynchroniseerde laserstralen, die samen een biljard (10¹⁵) watt aan vermogen leveren. In het experiment, één laserpuls werd gebruikt om een ​​stel hoogenergetische elektronen te produceren via een proces dat bekend staat als laser-wakefield-acceleratie, terwijl de tweede laser op de elektronenbundel was gericht. Toen de elektronenstraal en laserpuls botsten, de elektronen oscilleerden in het elektromagnetische veld van de tweede laser en verstrooiden de fotonen van de laserstraal, die werden gedetecteerd als gammastraling. Het energieverlies van de elektronen resulteerde ook in een stralingsreactie.

De moeilijkheid van het bereiken van een botsing kan beter worden begrepen als we bedenken dat laserpulsen dunner zijn dan een mensenhaar en, met elk een duur van 45 biljardste van een seconde, moest raken wat een van de wetenschappers beschreef als "elektronenkogels van micronformaat" die met bijna de lichtsnelheid reizen. Men dacht dat een botsing succesvol was toen hoogenergetische gammastraling werd gedetecteerd. Rekening houdend met deze oneindig kleine snelheden en breedtes, samen met toegevoegde factoren zoals variaties in de elektronenstraal van shot tot shot en laserpointing en timing, het is vrij duidelijk waarom slechts een klein aantal botsingen succesvol was.

De verkregen metingen werden gebruikt om kwantummodellen en klassieke modellen van stralingsreactie te vergelijken. Het bleek dat klassieke modellen de neiging hadden de stralingsreactiekrachten en gammastralingsenergieën te overschatten in vergelijking met kwantummodellen. Er werd ook geconcludeerd dat de gegevens meer consistent waren met een kwantumelektromagnetisch model, maar het feit bleef dat dit slechts iets meer dan 68 procent van de tijd gebeurde en dat verdere studies nodig waren om verschillende modellen goed te beoordelen.

De belangrijkste uitdaging van het projectteam voor de toekomst is het combineren van hoge laserintensiteiten, bundelstabiliteit en hoge bundelenergieën gelijktijdig in toekomstige experimenten om voldoende gegevens te verzamelen voor een systematische studie van kwantumstralingsreactie.