In de diepten van de ruimte, er zijn hemellichamen waar extreme omstandigheden heersen:snel roterende neutronensterren wekken supersterke magnetische velden op. En zwarte gaten, met hun enorme aantrekkingskracht, kan enorme, energetische jets van materie om de ruimte in te schieten. Een internationaal natuurkundig team met deelname van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft nu een nieuw concept voorgesteld waarmee sommige van deze extreme processen in de toekomst in het laboratorium kunnen worden bestudeerd:een speciale opstelling van twee zeer intensieve laserstralen kunnen omstandigheden creëren die vergelijkbaar zijn met die in de buurt van neutronensterren. In het ontdekte proces een antimateriestraal wordt zeer efficiënt gegenereerd en versneld. De experts presenteren hun concept in het tijdschrift Communicatie Fysica

De basis van het nieuwe concept is een piepklein blokje plastic, doorkruist door micrometer-fijne kanalen. Het fungeert als een doelwit voor twee lasers. Deze vuren tegelijkertijd ultrasterke pulsen op het blok, een van rechts, de andere van links - het blok wordt letterlijk genomen door lasertangen. "Als de laserpulsen het monster binnendringen, elk van hen versnelt een wolk van extreem snelle elektronen, " legt HZDR-natuurkundige Toma Toncian uit. "Deze twee elektronenwolken racen vervolgens met volle kracht naar elkaar toe, interactie met de laser die zich in de tegenovergestelde richting voortplant." De volgende botsing is zo hevig dat het een extreem groot aantal gammaquanta produceert - lichte deeltjes met een energie die zelfs hoger is dan die van röntgenstralen.

De zwerm gammaquanta is zo dicht dat de lichtdeeltjes onvermijdelijk met elkaar in botsing komen. En dan gebeurt er iets geks:volgens de beroemde formule van Einstein E=mc ² , lichtenergie kan in materie veranderen. In dit geval, voornamelijk elektron-positron-paren moeten worden gecreëerd. Positronen zijn de antideeltjes van elektronen. Wat dit proces speciaal maakt, is dat het "zeer sterke magnetische velden vergezellen, " beschrijft projectleider Alexey Arefiev, een natuurkundige aan de Universiteit van Californië in San Diego. "Deze magnetische velden kunnen de positronen in een bundel concentreren en ze sterk versnellen." In cijfers:over een afstand van slechts 50 micrometer, de deeltjes zouden een energie van één gigaelektronvolt (GeV) moeten bereiken - een grootte die normaal gesproken een volgroeide deeltjesversneller vereist.

Succesvolle computersimulatie

Om te zien of het ongebruikelijke idee zou kunnen werken, het team testte het in een uitgebreide computersimulatie. De resultaten zijn bemoedigend; in principe, het concept moet haalbaar zijn. "Ik was verrast dat de positronen die uiteindelijk werden gecreëerd, in de simulatie werden gevormd tot een hoogenergetische en gebundelde straal, " Zegt Arefiev blij. Bovendien de nieuwe methode moet veel efficiënter zijn dan eerdere ideeën, waarbij slechts een enkele laserpuls op een individueel doel wordt afgevuurd:volgens de simulatie, de "laser double strike" moet tot 100 kunnen genereren, 000 keer meer positronen dan het concept van een enkele behandeling.

"Ook, in ons geval, de lasers zouden niet zo krachtig hoeven te zijn als in andere concepten, Toncian legt uit. "Dit zou het idee waarschijnlijk makkelijker in de praktijk brengen." er zijn maar weinig plaatsen in de wereld waar de methode zou kunnen worden geïmplementeerd. Het meest geschikt is ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics), een unieke laserfaciliteit in Roemenië, grotendeels gefinancierd door de Europese Unie. Het heeft twee ultrakrachtige lasers die tegelijkertijd op een doel kunnen vuren - de basisvereiste voor de nieuwe methode.

Eerste testen in Hamburg

Essentiële voorafgaande tests, echter, zou vooraf in Hamburg kunnen plaatsvinden:de Europese XFEL, de krachtigste röntgenlaser ter wereld, bevindt zich daar. De HZDR speelt een belangrijke rol in deze grootschalige faciliteit:het leidt een gebruikersconsortium genaamd HIBEF, die zich al enige tijd richt op materie in extreme staten. "Bij HIBEF, collega's van HZDR, samen met het Helmholtz Instituut in Jena, een platform ontwikkelen dat kan worden gebruikt om experimenteel te testen of de magnetische velden zich daadwerkelijk vormen zoals onze simulaties voorspellen, " legt Toma Toncian uit. "Dit moet eenvoudig te analyseren zijn met de krachtige röntgenflitsen van de Europese XFEL."

Voor zowel astrofysica als kernfysica, de nieuwe techniek zou buitengewoon nuttig kunnen zijn. Ten slotte, sommige extreme processen in de ruimte zullen waarschijnlijk ook grote hoeveelheden gammaquanta produceren, die zich dan snel weer materialiseren in hoogenergetische paren. "Dergelijke processen zullen waarschijnlijk plaatsvinden, onder andere, in de magnetosfeer van pulsars, dat wil zeggen van snel roterende neutronensterren, ", zegt Alexey Arefiev. "Met ons nieuwe concept, dergelijke verschijnselen kunnen in het laboratorium worden gesimuleerd, althans tot op zekere hoogte, waardoor we ze dan beter zouden kunnen begrijpen."