Intense lasereksperimenter giver første bevis på, at lys kan stoppe elektroner

Ved at ramme elektroner med en ultra-intens laser, forskere har afsløret dynamikker, der går ud over 'klassisk' fysik og antyder kvanteeffekter.

Når lys rammer en genstand, noget af lyset spredes tilbage fra objektets overflade. Imidlertid, hvis objektet bevæger sig ekstremt hurtigt, og hvis lyset er utroligt intenst, mærkelige ting kan ske.

Elektroner, for eksempel, kan rystes så voldsomt, at de faktisk bremser, fordi de udstråler så meget energi. Fysikere kalder denne proces 'strålingsreaktion'.

Denne strålingsreaktion menes at forekomme omkring genstande som sorte huller og kvasarer (supermassive sorte huller omgivet af en gasskive). At kunne måle strålingsreaktion i laboratoriet vil derfor give indsigt i processer, der foregår i nogle af de mest ekstreme miljøer i universet.

Strålingsreaktion er også interessant for fysikere, der studerer effekter ud over 'klassisk' fysik, da de ligninger (kendt som Maxwells ligninger), der traditionelt definerer de kræfter, der virker på objekter, kommer til kort i disse ekstreme miljøer.

Nu, et hold forskere ledet af Imperial College London har for første gang demonstreret strålingsreaktion i laboratoriet. Deres resultater er offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

De var i stand til at observere denne strålingsreaktion ved at kollidere en laserstråle en kvadrillion (en milliard million) gange lysere end lys på Solens overflade med en højenergistråle af elektroner. Eksperimentet, som krævede ekstrem præcision og udsøgt timing, blev opnået ved hjælp af Gemini-laseren på Science and Technology Facilities Councils Central Laser Facility i Storbritannien.

Fotoner af lys, der reflekteres fra et objekt, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, får deres energi øget. Under de ekstreme betingelser for dette eksperiment, dette flytter det reflekterede lys fra den synlige del af spektret helt op til højenergi gammastråler. Denne effekt lod forskerne vide, hvornår de med succes havde kollideret bjælkerne.

Senior forfatter af undersøgelsen, Dr. Stuart Mangles fra Institut for Fysik ved Imperial, sagde:"Vi vidste, at vi havde haft succes med at kollidere de to stråler, da vi opdagede meget skarp højenergi gammastrålestråling.

"Det virkelige resultat kom så, da vi sammenlignede denne påvisning med energien i elektronstrålen efter kollisionen. Vi fandt ud af, at disse vellykkede kollisioner havde en lavere end forventet elektronenergi, hvilket er et klart bevis på strålingsreaktion."

Studie medforfatter professor Alec Thomas, fra Lancaster University og University of Michigan, tilføjede:"En ting, jeg altid finder så fascinerende ved dette, er, at elektronerne stoppes lige så effektivt af dette lysark, en brøkdel af et hårs bredde tykt, som med noget i retning af en millimeter bly. Det er ekstraordinært."

Dataene fra eksperimentet stemmer også bedre overens med en teoretisk model baseret på principperne for kvanteelektrodynamik, snarere end Maxwells ligninger, potentielt give nogle af de første beviser på tidligere utestede kvantemodeller.

Studiemedforfatter professor Mattias Marklund fra Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, hvis gruppe var involveret i undersøgelsen, sagde:"At teste vores teoretiske forudsigelser er af central betydning for os på Chalmers, især i nye regimer, hvor der er meget at lære. Parret med teori, disse eksperimenter er grundlaget for højintensiv laserforskning i kvantedomænet."

Der vil dog være behov for flere eksperimenter med endnu højere intensitet eller med endnu højere energi elektronstråler for at bekræfte, om dette er sandt. Holdet vil udføre disse eksperimenter i det kommende år.

Holdet var i stand til at gøre lyset så intenst i det aktuelle eksperiment ved at fokusere det til en meget lille plet (kun et par mikrometer - milliontedele af en meter - på tværs) og levere al energien på meget kort varighed (kun 40 femtosekunder lang) :40 kvadrilliontedele af et sekund).

For at gøre elektronstrålen lille nok til at interagere med den fokuserede laser, holdet brugte en teknik kaldet 'laser wakefield acceleration'.

Laservågefeltteknikken affyrer endnu en intens laserpuls ind i en gas. Laseren forvandler gassen til et plasma og driver en bølge, kaldet wakefield, bagved det, når det bevæger sig gennem plasmaet. Elektroner i plasmaet kan surfe på dette kølvand og nå meget høje energier på meget kort afstand.