Colpendo gli elettroni con un laser ultra-intenso, i ricercatori hanno rivelato dinamiche che vanno oltre la fisica "classica" e suggeriscono effetti quantistici.

Ogni volta che la luce colpisce un oggetto, parte della luce si disperde dalla superficie dell'oggetto. Però, se l'oggetto si muove molto velocemente, e se la luce è incredibilmente intensa, possono succedere cose strane.

elettroni, Per esempio, possono essere scossi così violentemente da rallentare effettivamente perché irradiano così tanta energia. I fisici chiamano questo processo "reazione alle radiazioni".

Si pensa che questa reazione di radiazione avvenga attorno a oggetti come buchi neri e quasar (buchi neri supermassicci circondati da un disco di gas). Essere in grado di misurare la reazione alle radiazioni in laboratorio fornirà quindi informazioni sui processi che si verificano in alcuni degli ambienti più estremi dell'universo.

La reazione alle radiazioni è interessante anche per i fisici che studiano effetti al di là della fisica "classica", poiché le equazioni (note come equazioni di Maxwell) che tradizionalmente definiscono le forze che agiscono sugli oggetti sono insufficienti in questi ambienti estremi.

Ora, un team di ricercatori guidati dall'Imperial College di Londra ha dimostrato per la prima volta la reazione alle radiazioni in laboratorio. I loro risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Revisione fisica X .

Sono stati in grado di osservare questa reazione di radiazione facendo scontrare un raggio laser un quadrilione (un miliardo di milioni) di volte più luminoso della luce sulla superficie del Sole con un raggio di elettroni ad alta energia. L'esperimento, che richiedeva estrema precisione e tempismo squisito, è stato ottenuto utilizzando il laser Gemini presso la Central Laser Facility del Science and Technology Facilities Council nel Regno Unito.

I fotoni di luce che riflettono da un oggetto che si muove vicino alla velocità della luce hanno la loro energia aumentata. Nelle condizioni estreme di questo esperimento, questo sposta la luce riflessa dalla parte visibile dello spettro fino ai raggi gamma ad alta energia. Questo effetto ha permesso ai ricercatori di sapere quando avevano fatto scontrare con successo i raggi.

Autore senior dello studio, Dr. Stuart Mangles del Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"Sapevamo di essere riusciti a far collidere i due fasci quando abbiamo rilevato radiazioni di raggi gamma ad alta energia molto luminose.

"Il vero risultato è arrivato quando abbiamo confrontato questo rilevamento con l'energia nel fascio di elettroni dopo la collisione. Abbiamo scoperto che queste collisioni riuscite avevano un'energia degli elettroni inferiore al previsto, che è una chiara prova della reazione alle radiazioni."

Il coautore dello studio, il professor Alec Thomas, dalla Lancaster University e dall'Università del Michigan, ha aggiunto:"Una cosa che trovo sempre così affascinante in questo è che gli elettroni vengono fermati con la stessa efficacia da questo foglio di luce, una frazione di un capello di spessore, come da qualcosa come un millimetro di piombo. Questo è straordinario".

I dati dell'esperimento concordano anche meglio con un modello teorico basato sui principi dell'elettrodinamica quantistica, piuttosto che le equazioni di Maxwell, potenzialmente fornendo alcune delle prime prove di modelli quantistici precedentemente non testati.

Il coautore dello studio, il professor Mattias Marklund della Chalmers University of Technology, Svezia, il cui gruppo è stato coinvolto nello studio, ha dichiarato:"Verificare le nostre previsioni teoriche è di fondamentale importanza per noi di Chalmers, soprattutto nei nuovi regimi dove c'è molto da imparare. Abbinato alla teoria, questi esperimenti sono una base per la ricerca sui laser ad alta intensità nel dominio quantistico".

Tuttavia, saranno necessari più esperimenti ad intensità ancora maggiore o con fasci di elettroni di energia ancora maggiore per confermare se questo è vero. Il team effettuerà questi esperimenti nel prossimo anno.

Il team è riuscito a rendere la luce così intensa nell'esperimento in corso focalizzandola su un punto molto piccolo (pochi micrometri—milionesimi di metro—di diametro) e fornendo tutta l'energia in una durata molto breve (solo 40 femtosecondi :40 quadrilionesimi di secondo).

Per rendere il raggio di elettroni abbastanza piccolo da interagire con il laser focalizzato, il team ha utilizzato una tecnica chiamata "accelerazione laser wakefield".

La tecnica del laser wakefield spara un altro intenso impulso laser in un gas. Il laser trasforma il gas in plasma e guida un'onda, chiamato il campo di veglia, dietro di esso mentre viaggia attraverso il plasma. Gli elettroni nel plasma possono navigare su questa scia e raggiungere energie molto elevate in una distanza molto breve.