Een nieuw gepubliceerde theoretische en computermodelleringsstudie suggereert dat 's werelds krachtigste lasers eindelijk de ongrijpbare fysica achter enkele van de meest extreme fenomenen in het universum kunnen kraken - gammastraaluitbarstingen, pulsar magnetosferen, en meer.

Het internationale onderzoeksteam achter de studie omvat onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de Franse Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA-LIDYL). Ze rapporteren hun bevindingen in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Het onderzoeksteam werd geleid door CEA's Henri Vincenti, die het belangrijkste fysieke concept voorstelde. Jean-Luc Vay en Andrew Myers, van Berkeley Lab's Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division en Computational Research Division, respectievelijk, leidde de ontwikkeling van de simulatiecode die voor het onderzoek werd gebruikt. (Vincenti werkte eerder bij Berkeley Lab als Marie Curie Research Fellow en blijft een ATAP-filiaal en een frequente medewerker.) Het theoretische en numerieke werk werd geleid door Luca Fedeli van Vincenti's team bij CEA.

De modelleringsstudie van het team toont aan dat lasers van de petawatt (PW) -klasse - die via licht-materie-interacties tot nog hogere intensiteiten worden geperst - een sleutel kunnen bieden om de mysteries van het sterke-veld (SF) -regime van kwantumelektrodynamica (QED) te ontrafelen. Een petawatt is 1 keer tien tot de vijftiende macht (dat wil zeggen, gevolgd door 15 nullen), of een quadriljoen watt. De output van de krachtigste lasers van vandaag wordt gemeten in petawatt.

"Dit is een krachtige demonstratie van hoe geavanceerde simulatie van complexe systemen nieuwe wegen voor ontdekkingswetenschap mogelijk kan maken door meerdere natuurkundige processen te integreren - in dit geval, de laserinteractie met een doelwit en daaropvolgende productie van deeltjes in een tweede doelwit, ", zei ATAP-divisiedirecteur Cameron Geddes.

Lasers onderzoeken enkele van de meest angstvallig bewaarde geheimen van de natuur

Hoewel QED een hoeksteen is van de moderne natuurkunde die de strengheid van experimenten gedurende vele decennia heeft doorstaan, Het aftasten van SF-QED vereist elektromagnetische velden met een intensiteit die vele ordes van grootte groter is dan die welke normaal op aarde beschikbaar zijn.

Onderzoekers hebben zijroutes geprobeerd naar SF-QED, zoals het gebruik van krachtige deeltjesbundels van versnellers om deeltjesinteracties te observeren met de sterke velden die van nature aanwezig zijn in sommige uitgelijnde kristallen.

Voor een meer directe benadering, de hoogste elektromagnetische velden die in een laboratorium beschikbaar zijn, worden geleverd door lasers van de PW-klasse. Een 10-PW laser ('s werelds krachtigste op dit moment), gefocust tot enkele microns, kan intensiteiten dichtbij 10 . bereiken ²³ watt per vierkante centimeter. De bijbehorende elektrische veldwaarden kunnen oplopen tot 10 ¹⁴ volt per meter. Maar het bestuderen van SF-QED vereist nog hogere veldamplituden dan dat - ordes van grootte die verder gaan dan wat met die lasers kan worden bereikt.

Om deze barrière te doorbreken, onderzoekers zijn van plan een beroep te doen op krachtige elektronenstralen, toegankelijk bij grote versneller- of laserfaciliteiten. Wanneer een krachtige laserpuls botst met een relativistische elektronenstraal, de laserveldamplitude gezien door elektronen in hun rustframe kan worden vergroot met orden van grootte, toegang geven tot nieuwe SF-QED-regimes.

Hoewel dergelijke methoden experimenteel uitdagend zijn, omdat ze vragen om de synchronisatie in ruimte en tijd van een krachtige laserpuls en een relativistische elektronenstraal op femtoseconde- en micronschaal, een paar van dergelijke experimenten zijn met succes uitgevoerd, en er zijn er nog een aantal gepland over de hele wereld in laserfaciliteiten van PW-klasse.

Met behulp van een bewegende, gebogen plasmaspiegel voor een directe blik

Het onderzoeksteam stelde een aanvullende methode voor:een compact schema dat de intensiteit van bestaande krachtige laserstralen direct kan verhogen. Het is gebaseerd op een bekend concept van lichtintensivering en op hun theoretische en computermodelleringsstudies.

Het schema bestaat uit het versterken van de intensiteit van een PW-laserpuls met een relativistische plasmaspiegel. Een dergelijke spiegel kan worden gevormd wanneer een laserstraal met ultrahoge intensiteit een optisch gepolijst vast doel raakt. Door de hoge laseramplitude, het vaste doelwit is volledig geïoniseerd, vormt een dicht plasma dat het invallende licht weerkaatst. Tegelijkertijd wordt het reflecterende oppervlak daadwerkelijk bewogen door het intense laserveld. Als gevolg van die beweging een deel van de gereflecteerde laserpuls wordt tijdelijk gecomprimeerd en omgezet in een kortere golflengte door het Doppler-effect.

Stralingsdruk van de laser geeft deze plasmaspiegel een natuurlijke kromming. Dit focust de Doppler-versterkte bundel op veel kleinere plekken, wat kan leiden tot extreme intensiteitswinsten - meer dan drie ordes van grootte - waar de Doppler-versterkte laserstraal wordt gefocust. De simulaties geven aan dat een secundair doelwit op deze focus duidelijke SF-QED-handtekeningen zou geven in daadwerkelijke experimenten.

Berkeley Lab integraal onderdeel van internationale teamwetenschappelijke inspanningen

De studie maakte gebruik van de diverse wetenschappelijke bronnen van Berkeley Lab, inclusief de WarpX-simulatiecode, die werd ontwikkeld voor het modelleren van geavanceerde deeltjesversnellers onder auspiciën van het Exascale Computing Project van het Amerikaanse Department of Energy. De nieuwe mogelijkheden van WarpX maakten de modellering van de intensiteitsboost en de interactie van de versterkte puls met het doelwit mogelijk. Alle eerdere simulatiestudies hadden alleen proof-of-principle-configuraties kunnen onderzoeken.

Experimentele verificatie van de methodologie van het onderzoeksteam voor het sonderen van SF-QED kan afkomstig zijn van de Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), een petawatt-klasse laser met een herhalingssnelheid, ongekend bij die kracht, van een puls per seconde. Nu in aanbouw is een tweede bundellijn die ook zou kunnen bijdragen aan experimentele studies van SF-QED door Berkeley Lab-onderzoekers. Een voorgestelde nieuwe laser, kBELLA, zou toekomstige studies met hoge snelheid mogelijk kunnen maken door hoge intensiteit met een kilohertz-herhalingsfrequentie naar de faciliteit te brengen.

De ontdekking via WarpX van nieuwe laser-plasma-interactieregimes met hoge intensiteit zou voordelen kunnen hebben die veel verder gaan dan ideeën voor het verkennen van SF-QED. Deze omvatten een beter begrip en ontwerp van op plasma gebaseerde versnellers, zoals die worden ontwikkeld bij BELLA. Compacter en goedkoper dan conventionele versnellers met vergelijkbare energie, ze zouden uiteindelijk game-changers kunnen zijn in toepassingen die variëren van het vergroten van het bereik van hoogenergetische fysica en van doordringende fotonbronnen voor precisiebeeldvorming, om ionen in halfgeleiders te implanteren, kanker behandelen, ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen, en meer.

"Het geeft voldoening om bij te kunnen dragen aan de validatie van nieuwe, potentieel zeer impactvolle ideeën via het gebruik van onze nieuwe algoritmen en codes, " Vay zei over de bijdragen van het Berkeley Lab-team aan de studie. "Dit maakt deel uit van de schoonheid van collaboratieve teamwetenschap."