Strålingsreaktion, når en lyshastigheds elektronstråle kolliderer med en højintensitets laser

Elektromagnetisk stråling er gennemgående. Det kommer i mange former, herunder radiobølger, mikrobølger og højenergi røntgen- og gammastråler. Men hvad, præcist, er det?

Elektromagnetisk stråling er den energi, der udsendes af en ladet partikel, såsom en elektron, når den accelererer. Når den accelererende partikel frigiver denne energi, den oplever en rekylkraft kaldet en strålingsreaktion. Normalt, strålingsreaktionskræfter er for små til at tage højde for, men de bliver vigtige i laser-plasma-interaktioner og astrofysiske sammenhænge, hvor højelektromagnetiske felter og højelektronenergier spiller ind.

Et papir udgivet i tidsskriftet Fysisk gennemgang X præsenterer bevis for en strålingsreaktion, der opstår, når en højintensitets laserimpuls kolliderer med en højenergielektronstråle. Et team af forskere støttet af de EU-finansierede TeX-MEx- og SF-QFT-projekter gennemførte dette eksperiment ved hjælp af Astra Gemini-laseren tilhørende Central Laser Facility i Storbritannien.

Astra Gemini-laser med to stråler genererer to synkroniserede laserstråler, som tilsammen leverer en quadrillion (10¹⁵) watt effekt. I forsøget, en laserpuls blev brugt til at producere en flok elektroner med høj energi gennem en proces kendt som laser-wakefield-acceleration, mens den anden laser var rettet mod elektronbundtet. Da elektronstrålen og laserpulsen kolliderede, elektronerne oscillerede i den anden lasers elektromagnetiske felt og spredte laserstrålens fotoner, som blev detekteret som gammastråler. Elektronernes energitab resulterede også i en strålingsreaktion.

Vanskeligheden ved at opnå en kollision kan blive bedre værdsat, hvis vi overvejer, at laserpulser er tyndere end et menneskehår og, med hver varig 45 kvadrilliondel af et sekund, måtte ramme, hvad en af ​​forskerne beskrev som "elektronkugler i mikronstørrelse", der rejser med hastighed ved nær lys. Man mente, at en kollision var vellykket, da der blev påvist højenergigammastråling. Når man tager disse uendelig lille hastigheder og bredder i betragtning, sammen med tilføjede faktorer såsom elektronstrålevariationer fra skud til skud og laserpegning og timing, det er helt klart, hvorfor kun et lille antal kollisioner lykkedes.

De opnåede målinger blev brugt til at sammenligne kvante- og klassiske modeller for strålingsreaktion. Det blev fundet, at klassiske modeller havde en tendens til at overvurdere strålingsreaktionskræfter og gammastråleenergier sammenlignet med kvantemodeller. Det blev også konkluderet, at dataene var mere i overensstemmelse med en kvanteelektromagnetisk model, men faktum forblev, at dette kun skete lidt over 68 procent af tiden, og der var behov for yderligere undersøgelser for korrekt at vurdere forskellige modeller.

Projektteamets største udfordring fremover er at kombinere højlaserintensiteter, stråle stabilitet og fjernlys energier samtidigt i fremtidige forsøg for at indsamle nok data til en systematisk undersøgelse af kvantestrålingsreaktion.