Een paar minuten in het leven van het universum, botsende emissies van lichtenergie creëerden de eerste deeltjes materie en antimaterie. We zijn bekend met het omgekeerde proces – materie die energie genereert – in alles, van een kampvuur tot een atoombom, maar het was moeilijk om die kritische transformatie van licht in materie opnieuw tot stand te brengen.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe reeks simulaties door een onderzoeksteam onder leiding van Alexey Arefiev van UC San Diego wijzen de weg naar het maken van materie uit licht. Het proces begint door een krachtige laser op een doel te richten om een ​​magnetisch veld te genereren dat zo sterk is als dat van een neutronenster. Dit veld genereert gammastraling die botsen om - voor het allerkortste moment - paren materie en antimaterie te produceren.

De studie, gepubliceerd op 11 mei in Fysieke beoordeling toegepast biedt een soort recept dat experimentatoren van de Extreme Light Infrastructure (ELI) high-power laserfaciliteiten in Oost-Europa zouden kunnen volgen om echte resultaten te produceren in één tot twee jaar, zei Arefiev, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek.

"Onze resultaten stellen wetenschappers in staat om te onderzoeken, Voor de eerste keer, een van de fundamentele processen in het universum, " hij zei.

Hoog vermogen benutten

Arefiev, doctoraat student Tao Wang en hun collega's van de Relativistic Laser-Plasma Simulation Group werken al jaren aan manieren om intense, gerichte bundels van energie en straling, werk dat gedeeltelijk wordt ondersteund door de National Science Foundation en Air Force Office of Science Research. Een manier om dit te bereiken, zij merkten op, zou zijn om een ​​krachtige laser op een doel te richten om een ​​zeer sterk magnetisch veld te creëren dat intense energie-emissies zou afwerpen.

Hoge intensiteit, ultrakorte laserpulsen gericht op een dicht doel kunnen het doel "relativistisch transparant maken, " aangezien de elektronen in de laser bewegen met een snelheid die zeer dicht bij de lichtsnelheid ligt en effectief zwaarder worden, Arefiev legde het uit. Dit zorgt ervoor dat de elektronen van de laser niet bewegen om het doel te beschermen tegen het licht van de laser. Terwijl de laser langs deze elektronen duwt, het genereert een magnetisch veld zo sterk als de aantrekkingskracht op het oppervlak van een neutronenster - 100 miljoen keer sterker dan het magnetische veld van de aarde.

Om te zeggen dat dit allemaal in een oogwenk gebeurt, is een enorme overdrijving. Het magnetische veld bestaat 100 femtoseconden. (Een femtoseconde is 10 ^-15 van een seconde - een quadriljoenste van een seconde.) Maar "vanuit het gezichtspunt van de laser, het veld is quasi-statisch, "zei Arefiev. "Nogmaals, vanuit het oogpunt van de laser, ons leven is waarschijnlijk langer dan het leven van het universum."

Een high-power laser in dit geval is er een in het multi-petawatt-bereik. Een petawatt is een miljoen miljard watt. Ter vergelijking, de zon levert ongeveer 174 petawatt aan zonnestraling aan de hele bovenste atmosfeer van de aarde. Een laserpointer levert ongeveer 0,005 watt aan een Power Point-dia.

Eerdere simulaties suggereerden dat de laser in kwestie een hoog vermogen zou moeten hebben en op een kleine plek zou moeten worden gericht om de vereiste intensiteit te produceren om een ​​sterk genoeg magnetisch veld te creëren. De nieuwe simulaties suggereren dat door het vergroten van het brandpunt en het verhogen van het laservermogen tot ongeveer 4 petawatt, de intensiteit van de laser kan vast blijven en toch het sterke magnetische veld creëren.

Onder deze voorwaarden, de simulaties laten zien, de laser-versnelde elektronen van het magnetische veld stimuleren de emissie van hoogenergetische gammastralen.

"We hadden niet verwacht dat we niet naar een waanzinnige intensiteit zouden gaan, dat het net voldoende is om de kracht te vergroten en je tot zeer interessante dingen kunt komen, ’ zei Arefiev.

Deeltjesparen

Een van die interessante dingen is de productie van elektron-positronparen - gepaarde deeltjes van materie en antimaterie. Deze deeltjes kunnen worden geproduceerd door twee gammastralen te laten botsen of één gammastraal te laten botsen met blackbody-straling, een object dat alle straling absorbeert die erop valt. De methode levert er veel op:tien- tot honderdduizenden paren geboren uit één botsing.

Wetenschappers hebben de licht-in-materie prestatie eerder uitgevoerd, met name in een Stanford-experiment uit 1997, maar die methode vereiste een extra stroom hoogenergetische elektronen, terwijl de nieuwe methode "alleen licht is dat wordt gebruikt om materie te produceren, " zei Arefiev. Hij merkte ook op dat het Stanford-experiment "ongeveer elke 100 schoten één deeltjespaar zou produceren."

Een experiment dat alleen licht gebruikt om materie te creëren, bootst de omstandigheden tijdens de eerste minuten van het universum beter na. biedt een verbeterd model voor onderzoekers die meer willen weten over deze kritieke periode. Het experiment zou ook meer kansen kunnen bieden om antimateriedeeltjes te bestuderen, die een mysterieus onderdeel blijven van de samenstelling van het universum. Bijvoorbeeld, wetenschappers zijn nieuwsgierig om meer te weten te komen over waarom het universum meer materie lijkt te hebben dan antimaterie, wanneer de twee in gelijke hoeveelheden zouden moeten bestaan.

Arefiev en zijn collega's werden aangemoedigd om deze simulaties nu te doen omdat de laserfaciliteiten die in staat zijn om de daadwerkelijke experimenten uit te voeren nu beschikbaar zijn. "We hebben specifiek de berekeningen gedaan voor de lasers die tot voor kort niet beschikbaar waren, maar zou nu beschikbaar moeten zijn bij deze laserfaciliteiten, " hij zei.

In een vreemde wending, de simulaties die door het onderzoeksteam zijn voorgesteld, kunnen de ELI-wetenschappers ook helpen bepalen of hun lasers zo intens zijn als ze denken. Een laser in het multi-petawatt-bereik afvuren op een doel met een diameter van slechts vijf micron "vernietigt alles, "zei Arefiev. "Je schiet en het is weg, niets is te herstellen, en je kunt de piekintensiteit die je produceert niet echt meten."

Maar als de experimenten gammastralen en deeltjesparen produceren zoals voorspeld, "Dit zal een validatie zijn dat de lasertechnologie zo'n hoge intensiteit kan bereiken, " hij voegde toe.

Vorig jaar, de UC San Diego-onderzoekers ontvingen een Amerikaanse National Science Foundation-subsidie ​​​​die hen in staat stelt om samen te werken met ELI-onderzoekers om deze experimenten uit te voeren. Deze samenwerking is cruciaal, Arefiev zei, omdat er in de Verenigde Staten geen faciliteiten zijn met krachtig genoeg lasers, ondanks een rapport uit 2018 van de National Academies of Sciences waarschuwde dat de VS hun voorsprong hebben verloren bij het investeren in intense ultrasnelle lasertechnologie.

Arefiev zei dat de ELI-laserfaciliteiten over een paar jaar klaar zullen zijn om hun simulaties te testen. "Dit is de reden waarom we dit artikel hebben geschreven, omdat de laser operationeel is, dus we zijn niet zo ver verwijderd van dit daadwerkelijk te doen, " zei hij. "Met de wetenschap, dat is wat mij aantrekt. Zien is geloven."