Gør stof ud af lys:lasersimuleringer med høj effekt viser vejen

Et par minutter inde i universets liv, kolliderende emissioner af lysenergi skabte de første partikler af stof og antistof. Vi er bekendt med den omvendte proces - stof, der genererer energi - i alt fra et lejrbål til en atombombe, men det har været svært at genskabe den kritiske transformation af lys til stof.

Nu, et nyt sæt simuleringer af et forskerhold ledet af UC San Diegos Alexey Arefiev peger på vejen mod at skabe stof fra lys. Processen starter med at rette en højeffektlaser mod et mål for at generere et magnetfelt lige så stærkt som en neutronstjernes. Dette felt genererer gammastråleemissioner, der kolliderer for at producere - i det korteste øjeblik - par af stof og antistofpartikler.

Studiet, udgivet 11. maj i Fysisk gennemgang anvendt tilbyder en slags opskrift, som eksperimentalister ved Extreme Light Infrastructure (ELI) højeffektlaserfaciliteter i Østeuropa kunne følge for at producere rigtige resultater på et til to år, sagde Arefiev, en lektor i maskin- og rumfartsteknik.

"Vores resultater sætter videnskabsfolk i stand til at undersøge, for første gang, en af ​​de grundlæggende processer i universet, " han sagde.

Udnyttelse af høj effekt

Arefiev, Ph.D. studerende Tao Wang og deres kolleger ved Relativistic Laser-Plasma Simulation Group har arbejdet i årevis på måder at skabe intense, rettede stråler af energi og stråling, arbejde, der er delvist støttet af National Science Foundation og Air Force Office of Science Research. En måde at opnå dette på, de bemærkede, ville være at rette en højeffektlaser mod et mål for at skabe et meget stærkt magnetfelt, der ville kaste intense energiemissioner af sig.

Høj intensitet, ultrakorte laserimpulser rettet mod et tæt mål kan gøre målet "relativistisk gennemsigtigt, "Når elektronerne i laseren bevæger sig med en hastighed meget tæt på lysets hastighed og effektivt bliver tungere, Arefiev forklarede. Dette forhindrer laserens elektroner i at bevæge sig for at beskytte målet mod laserens lys. Når laseren skubber forbi disse elektroner, den genererer et magnetfelt, der er lige så stærkt som trækket på overfladen af ​​en neutronstjerne - 100 millioner gange stærkere end Jordens magnetfelt.

At sige, at alt dette sker på et øjeblik er en stor overdrivelse. Magnetfeltet eksisterer i 100 femtosekunder. (Et femtosekund er 10 ^-15 af et sekund - en kvadrilliontedel af et sekund.) Men "fra laserens synspunkt, feltet er næsten statisk, sagde Arefiev. Så igen, fra laserens synspunkt, vores liv er sandsynligvis længere end universets liv."

En højeffektlaser er i dette tilfælde en i multi-petawatt-området. En petawatt er en million milliarder watt. Til sammenligning, Solen afgiver omkring 174 petawatt solstråling til hele Jordens øvre atmosfære. En laserpointer leverer omkring 0,005 watt til et Power Point-glas.

Tidligere simuleringer antydede, at den pågældende laser skulle være højeffekt og rettet mod et lille sted for at producere den nødvendige intensitet til at skabe et stærkt nok magnetfelt. De nye simuleringer tyder på, at ved at øge størrelsen af ​​brændpunktet og øge lasereffekten til omkring 4 petawatt, laserens intensitet kunne forblive fast og stadig skabe det stærke magnetfelt.

Under disse forhold, simuleringerne viser, magnetfeltets laseraccelererede elektroner ansporer emissionen af ​​højenergiske gammastråler.

"Vi forventede ikke, at vi ikke behøvede at gå til en vanvittig intensitet, at det bare er tilstrækkeligt til at øge kraften, og du kan komme til meget interessante ting, " sagde Arefiev.

Partikelpar

En af de interessante ting er produktionen af ​​elektron-positron-par - parrede partikler af stof og antistof. Disse partikler kan produceres ved at kollidere to gammastråler eller ved at kollidere en gammastråle med sortlegemestråling, en genstand, der absorberer al stråling, der falder på den. Metoden producerer mange af dem - titusinder til hundredtusindvis af par født ud af en kollision.

Forskere har udført den let-i-materie bedrift før, især i et Stanford-eksperiment fra 1997, men den metode krævede en ekstra strøm af højenergielektroner, mens den nye metode "kun lys bruges til at producere stof, " sagde Arefiev. Han bemærkede også, at Stanford-eksperimentet "ville producere et partikelpar omkring hver 100 skud."

Et eksperiment, der kun bruger lys til at skabe stof, efterligner forholdene i de første minutter af universet, tilbyder en forbedret model til forskere, der ønsker at lære mere om denne kritiske periode. Eksperimentet kunne også give flere chancer for at studere antistofpartikler, som forbliver en mystisk del af universets sammensætning. For eksempel, videnskabsmænd er nysgerrige efter at lære mere om, hvorfor universet ser ud til at have mere stof end antistof, når de to skulle eksistere i lige store mængder.

Arefiev og hans kolleger blev opfordret til at lave disse simuleringer nu, fordi laserfaciliteterne, der er i stand til at udføre de faktiske eksperimenter, nu er tilgængelige. "Vi lavede specifikt beregningerne for de lasere, der ikke har været tilgængelige indtil for nylig, men nu burde være tilgængelig på disse laserfaciliteter, " han sagde.

I en mærkelig drejning, simuleringerne foreslået af forskerholdet kan også hjælpe ELI-forskerne med at afgøre, om deres lasere er så intense, som de tror, ​​de er. At affyre en laser i multi-petawatt-området mod et mål kun fem mikron i diameter "ødelægger alt, sagde Arefiev. Du skyder og det er væk, intet kan inddrives, og du kan faktisk ikke måle den maksimale intensitet, du producerer."

Men hvis eksperimenterne producerer gammastråler og partikelpar som forudsagt, "Dette vil være en validering af, at laserteknologien kan nå så høj en intensitet, " han tilføjede.

Sidste år, UC San Diego-forskerne modtog en bevilling fra US National Science Foundation, der giver dem mulighed for at samarbejde med ELI-forskere for at udføre disse eksperimenter. Dette partnerskab er afgørende, Arefiev sagde, fordi der ikke er nogen faciliteter i USA med kraftige nok lasere, på trods af en rapport fra 2018 fra National Academies of Sciences, der advarer om, at USA har mistet sit forspring i at investere i intens ultrahurtig laserteknologi.

Arefiev sagde, at ELI-laserfaciliteterne vil være klar til at teste deres simuleringer om et par år. "Dette er grunden til, at vi skrev dette papir, fordi laseren er operationel, så vi er ikke så langt væk fra rent faktisk at gøre dette, " sagde han. "Med videnskab, det er det, der tiltrækker mig. At se er at tro."