En un estudio innovador publicado recientemente en línea en la revista Fotónica de la naturalezaUn equipo de investigadores ha demostrado con éxito la dispersión Compton no lineal (NCS) entre un haz de electrones ultrarelativista y un pulso láser de intensidad ultraalta utilizando un láser de 4 petavatios en el Centro de Ciencia del Láser Relativista (CoReLS) dentro del Instituto de Ciencias Básicas. Instituto Gwangju de Ciencia y Tecnología (GIST), Corea. El enfoque innovador fue el uso de un solo láser para las colisiones electrón-fotón, mientras que se aplicó un láser multipW tanto para la aceleración como para la colisión de partículas (llamado Totalmente óptico configuración). Este logro representa un hito importante en la física de campos fuertes, particularmente en la electrodinámica cuántica de campos fuertes (QED), y proporciona nuevos conocimientos sobre las interacciones electrón-fotón de alta energía sin la necesidad de aceleradores de partículas tradicionales de una milla de largo.
La dispersión Compton no lineal requiere que un electrón absorba múltiples fotones láser mientras emite un único fotón de rayos gamma de alta energía. Para observar este fenómeno, los investigadores utilizaron el “límite de Schwinger”, una intensidad teórica del láser (2×1029 anchos/cm2) es tan fuerte que “sopla” el vacío espacio-temporal, creando pares materia-antimateria. Dado que el récord actual de intensidad láser más alta del mundo demostrado por CoReLS está todavía un millón de veces por debajo de este umbral, el equipo empleó una solución: un haz de electrones ultrarelativista colisionó con un pulso láser de intensidad ultraalta, aprovechando la teoría de la relatividad de Einstein. electrones en el marco, la intensidad del láser parecía ser aproximadamente el 50% del límite de Schwinger, lo que provocó el fenómeno QED no lineal. haciendo
Los científicos han realizado una serie de experimentos utilizando el láser CoReLS PW. El rayo láser se dividió en dos haces, cada uno de los cuales desempeñaba una función diferente. El primer rayo se centró en una celda llena de gas de 5 cm de largo, donde desencadenó la “aceleración del campo de estela láser” (LWFA) de electrones. En este método de aceleración, el electrón “navega” sobre una onda de plasma generada por un láser, que alcanza energías de hasta el 99,999999% de la velocidad de la luz: 3 GeV. El segundo haz fue un destello de luz enfocado en un diámetro de 2 micras (un pequeño porcentaje del diámetro de un cabello), que duró sólo 20 femtosegundos (un femtosegundo representa una millonésima de milmillonésima de segundo). Este haz estaba dirigido a colisionar con electrones acelerados expulsados del plasma de la celda de gas.
Lograr la superposición precisa necesaria para las colisiones, en unas pocas micras y 10 femtosegundos, permite que el pulso del láser “sacuda” los electrones, que rebotan en hasta 400 fotones láser, absorbiéndolos simultáneamente. La energía absorbida se emite luego como fotones individuales de rayos gamma de alta energía con energías en el rango de decenas a cientos de megaelectronvoltios.
Los investigadores caracterizaron cuidadosamente la energía de los rayos gamma, utilizando simulaciones de Monte-Carlo, para garantizar que otros fondos de rayos X y gamma no interfirieran con las mediciones. Verificaron las firmas de rayos gamma con predicciones teóricas y compararon los resultados experimentales con modelos analíticos y simulaciones de partículas en células realizadas con supercomputadoras. La concordancia entre el experimento y la simulación confirmó la aparición de dispersión Compton no lineal y permitió al equipo deducir la intensidad del láser en colisión extrayendo su “huella digital” de la señal de rayos gamma.
Debido al gran número de colisiones, el haz de rayos gamma producido en el experimento fue 1.000 veces más brillante que cualquier otro logrado hasta ahora en el laboratorio a esta escala de energía. Este avance tiene aplicaciones potenciales en el estudio de procesos nucleares y la comprensión de la producción de antimateria, como el proceso de Britt-Wheeler para explorar colisiones fotón-fotón para crear pares electrón-positrón.
La investigación, publicada en Nature Photonics, es parte de un esfuerzo mayor para comprender la electrodinámica cuántica (QED) en campos de fondo fuertes, también conocida como electrodinámica cuántica de campo fuerte. La investigación puede imitar fenómenos de laboratorio que se encuentran comúnmente en objetos astrofísicos como magnetares, supernovas y regiones alrededor de agujeros negros. El primer estudio que utilizó colisiones entre rayos láser y haces de electrones se realizó en SLAC en 1996, pero utilizando un acelerador de un kilómetro de longitud y un láser mucho menos intenso. También se planean experimentos similares en próximas instalaciones láser de múltiples petavatios como DESY (Proyecto LUXE, Alemania), SLAC (FACET II, EE. UU.) y Apollon (Francia), Station for Extreme Light (China), ELI. NP (Rumania), ELI-Beamlines (República Checa) u Omega EP OPAL (U. Rochester) y ZEUS (U. Michigan, EE. UU.).