Een veelbelovende methode om op aarde een proces te produceren en te observeren dat belangrijk is voor zwarte gaten, supernova-explosies en andere extreme kosmische gebeurtenissen zijn voorgesteld door wetenschappers van het Department of Astrophysical Sciences van Princeton University, SLAC Nationaal Versnellingslaboratorium, en het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Het proces, kwantumelektrodynamische (QED) cascades genoemd, kan leiden tot supernova's - exploderende sterren - en snelle radio-uitbarstingen die in milliseconden gelijk zijn aan de energie die de zon in drie dagen uitstraalt.

Eerste demonstratie

De onderzoekers produceerden de eerste theoretische demonstratie dat het botsen van een laboratoriumlaser met een dichte elektronenstraal QED-cascades met hoge dichtheid kan produceren. "We laten zien dat wat voor onmogelijk werd gehouden, in feite mogelijk is, " zei Kenan Qu, hoofdauteur van een paper in Physical Review Letters (PRL) waarin de doorbraakdemonstratie wordt beschreven. "Dat suggereert op zijn beurt hoe voorheen niet-waargenomen collectieve effecten kunnen worden onderzocht met bestaande ultramoderne laser- en elektronenstraaltechnologieën."

Het proces verloopt op een eenvoudige manier. Door een sterke laserpuls te laten botsen met een hoogenergetische elektronenstraal wordt een vacuüm gesplitst in elektronen-positronparen met hoge dichtheid die met elkaar gaan interageren. Deze interactie creëert zogenaamde collectieve plasma-effecten die beïnvloeden hoe de paren collectief reageren op elektrische of magnetische velden.

Plasma, de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, vormt 99 procent van het zichtbare heelal. Plasma voedt fusiereacties die de zon en de sterren aandrijven, een proces dat PPPL en wetenschappers over de hele wereld op aarde proberen te ontwikkelen. Plasmaprocessen in het hele universum worden sterk beïnvloed door elektromagnetische velden.

Het PRL-document richt zich op de elektromagnetische sterkte van de laser en de energie van de elektronenstraal die de theorie samenbrengt om QED-cascades te creëren. "We proberen de omstandigheden te simuleren die elektronen-positronparen creëren met voldoende dichtheid zodat ze meetbare collectieve effecten produceren en zien hoe we deze effecten ondubbelzinnig kunnen verifiëren, ' zei Q.

De taken vroegen om het blootleggen van de handtekening van succesvolle plasmacreatie door middel van een QED-proces. Onderzoekers vonden de signatuur in de verschuiving van een matig intense laser naar een hogere frequentie veroorzaakt door het voorstel om de laser tegen een elektronenstraal te sturen. "Die bevinding lost het gezamenlijke probleem op om het QED-plasmaregime het gemakkelijkst te produceren en het gemakkelijkst te observeren, " Qu zei. "De hoeveelheid verschuiving varieert afhankelijk van de dichtheid van het plasma en de energie van de paren."

Voorbij de huidige mogelijkheden

De theorie toonde eerder aan dat voldoende sterke lasers of elektrische of magnetische velden QED-paren kunnen creëren. Maar de vereiste magnitudes zijn zo hoog dat ze de huidige laboratoriumcapaciteiten te boven gaan.

Echter, "Het blijkt dat de huidige technologie in lasers en relativistische bundels [die met de snelheid van het licht reizen], indien co-located, voldoende is om toegang te krijgen tot dit regime en het na te leven, " zei natuurkundige Nat Fisch, hoogleraar astrofysische wetenschappen en adjunct-directeur academische zaken bij PPPL, en een co-auteur van de PRL-paper en hoofdonderzoeker van het project. "Een belangrijk punt is om de laser te gebruiken om de paren te vertragen, zodat hun massa afneemt, waardoor hun bijdrage aan de plasmafrequentie wordt verhoogd en de collectieve plasma-effecten groter worden, Fisch zei. "Het co-lokaliseren van huidige technologieën is veel goedkoper dan het bouwen van superintensieve lasers, " hij zei.

Dit werk werd gefinancierd door subsidies van de National Nuclear Security Administration en het Air Force Office of Scientific Research. Onderzoekers maken zich nu op om de theoretische bevindingen te testen bij SLAC aan de Stanford University, waar een matig sterke laser wordt ontwikkeld en de bron van elektronenbundels er al is. Natuurkundige Sebastian Meuren, een co-auteur van het artikel en een voormalig postdoctoraal bezoeker bij PPPL die nu bij SLAC is, staat hierbij centraal.

"Zoals de meeste fundamentele natuurkunde is dit onderzoek bedoeld om onze nieuwsgierigheid naar het universum te bevredigen, " Qu zei. "Voor de algemene gemeenschap, een grote impact is dat we miljarden dollars aan belastinginkomsten kunnen besparen als de theorie kan worden gevalideerd."