Revner åbner stærk feltkvanteelektrodynamik

En nyligt offentliggjort teoretisk og computermodelleringsundersøgelse antyder, at verdens mest kraftfulde lasere endelig kan knække den undvigende fysik bag nogle af de mest ekstreme fænomener i universet - gammastråleudbrud, pulsar magnetosfærer, og mere.

Det internationale forskerteam bag undersøgelsen omfatter forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Frankrigs Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA-LIDYL). De rapporterer deres resultater i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Forskerteamet blev ledet af CEA's Henri Vincenti, der foreslog det vigtigste fysiske koncept. Jean-Luc Vay og Andrew Myers, af Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division og Computational Research Division, henholdsvis, ledet udviklingen af ​​den simuleringskode, der blev brugt til forskningen. (Vincenti arbejdede tidligere på Berkeley Lab som Marie Curie Research Fellow og er fortsat en ATAP -tilknyttet og hyppig samarbejdspartner.) Det teoretiske og numeriske arbejde blev ledet af Luca Fedeli fra Vincentis team på CEA.

Teamets modelleringsundersøgelse viser, at petawatt (PW) -klasselasere-tilført endnu højere intensiteter via lysstof-interaktioner-kan give en nøgle til at låse op for mysterierne i stærkfelt (SF) -regimet for kvanteelektrodynamik (QED). En petawatt er 1 gange ti til den femtende effekt (det vil sige, efterfulgt af 15 nuller), eller en kvadrillion watt. Effekten af ​​nutidens mest kraftfulde lasere måles i petawatt.

"Dette er en kraftfuld demonstration af, hvordan avanceret simulering af komplekse systemer kan muliggøre nye veje til opdagelsesvidenskab ved at integrere flere fysikprocesser - i dette tilfælde, laserinteraktionen med et mål og efterfølgende produktion af partikler i et andet mål, "sagde ATAP -divisionsdirektør Cameron Geddes.

Lasere undersøger nogle af naturens mest nidkært bevogtede hemmeligheder

Selvom QED er en hjørnesten i moderne fysik, der har modstået eksperimentets stringens i mange årtier, sondering af SF-QED kræver elektromagnetiske felter med en intensitet mange størrelsesordener ud over dem, der normalt er tilgængelige på Jorden.

Forskere har prøvet sideruter til SF-QED, såsom at bruge kraftige partikelstråler fra acceleratorer til at observere partikelinteraktioner med de stærke felter, der naturligt er til stede i nogle justerede krystaller.

For en mere direkte tilgang, de højeste elektromagnetiske felter, der findes på et laboratorium, leveres af lasere i PW-klasse. En 10-PW laser (verdens mest kraftfulde på dette tidspunkt), fokuseret ned til et par mikron, kan nå intensiteter tæt på 10 ²³ watt per kvadratcentimeter. De tilhørende elektriske feltværdier kan være så høje som 10 ¹⁴ volt pr meter. Men at studere SF-QED kræver endnu højere feltamplituder end det-størrelsesordener ud over, hvad der kan opnås med disse lasere.

For at bryde denne barriere, forskere har planlagt at kalde kraftige elektronstråler, tilgængelig ved store acceleratorer eller laserfaciliteter. Når en højeffekt laserpuls kolliderer med en relativistisk elektronstråle, laserfeltamplituden set af elektroner i deres hvileramme kan øges med størrelsesordener, giver adgang til nye SF-QED-regimer.

Selvom sådanne metoder er udfordrende eksperimentelt, da de kalder på synkronisering i rum og tid af en højeffekt laserpuls og en relativistisk elektronstråle ved femtosekund- og mikronskala, et par sådanne eksperimenter er blevet udført med succes, og flere flere er planlagt rundt om i verden på laserfaciliteter i PW-klasse.

Ved hjælp af en bevægelse, buet plasmaspejl for et direkte look

Forskergruppen foreslog en komplementær metode:en kompakt ordning, der direkte kan øge intensiteten af ​​eksisterende laserstråler med høj effekt. Det er baseret på et velkendt begreb om lysintensivitet og på deres teoretiske og computermodelleringsstudier.

Ordningen består i at øge intensiteten af ​​en PW laserpuls med et relativistisk plasmaspejl. Et sådant spejl kan dannes, når en laserstråle med ultrahøj intensitet rammer et optisk poleret fast mål. På grund af den høje laseramplitude, det faste mål er fuldt ioniseret, danner et tæt plasma, der reflekterer det indfaldende lys. På samme tid bevæges den reflekterende overflade faktisk af det intense laserfelt. Som følge af dette forslag, en del af den reflekterede laserpuls komprimeres tidsmæssigt og omdannes til en kortere bølgelængde ved hjælp af Doppler -effekten.

Strålingstryk fra laseren giver dette plasmaspejl en naturlig krumning. Dette fokuserer den dopplerforstærkede stråle til meget mindre pletter, hvilket kan føre til ekstreme intensitetsgevinster-mere end tre størrelsesordener-hvor den Doppler-boostede laserstråle er fokuseret. Simuleringerne indikerer, at et sekundært mål ved dette fokus ville give klare SF-QED-signaturer i egentlige eksperimenter.

Berkeley Lab integreret i international team-videnskabelig indsats

Undersøgelsen trak på Berkeley Labs forskelligartede videnskabelige ressourcer, herunder WarpX -simuleringskoden, som blev udviklet til modellering af avancerede partikelacceleratorer i regi af U.S. Department of Energy's Exascale Computing Project. De nye muligheder i WarpX tillod modellering af intensitetsforøgelsen og interaktionen mellem den boostede puls og målet. Alle tidligere simuleringsundersøgelser havde kun været i stand til at undersøge principielle konfigurationer.

Eksperimentel verifikation af forskergruppens metode til sondering af SF-QED kan komme fra Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), en laser i petawatt-klasse med en gentagelseshastighed, uden fortilfælde ved den magt, af en puls i sekundet. Nu under opførelse er en anden strålelinje, der også kan bidrage til eksperimentelle undersøgelser af SF-QED af Berkeley Lab-forskere. En foreslået ny laser, kBELLA, kunne muliggøre fremtidige højhastighedsundersøgelser ved at bringe høj intensitet ved en kilohertz gentagelseshastighed til anlægget.

Opdagelsen via WarpX af nye højintensive laser-plasma-interaktionsregimer kan have fordele langt ud over ideer til at udforske SF-QED. Disse omfatter bedre forståelse og design af plasmabaserede acceleratorer, f.eks. Dem, der udvikles hos BELLA. Mere kompakt og billigere end konventionelle acceleratorer af lignende energi, de kan i sidste ende være game-changers i applikationer, der spænder fra at udvide rækkevidden af ​​højenergifysik og gennemtrængende fotonkilder til præcisionsbilleddannelse, at implantere ioner i halvledere, behandling af kræft, udvikling af nye lægemidler, og mere.

”Det er glædeligt at kunne bidrage til validering af nye, potentielt meget virkningsfulde ideer via brugen af ​​vores nye algoritmer og koder, "Vay sagde om Berkeley Lab -teamets bidrag til undersøgelsen." Dette er en del af det smukke ved kollaborativ teamvidenskab. "