La radiazione elettromagnetica è pervasiva. Si presenta in molte forme, comprese le onde radio, microonde e raggi X e gamma ad alta energia. Ma cosa, precisamente, è?

La radiazione elettromagnetica è l'energia emessa da una particella carica come un elettrone quando accelera. Quando la particella in accelerazione rilascia questa energia, sperimenta una forza di rinculo chiamata reazione di radiazione. Normalmente, le forze di reazione alle radiazioni sono troppo piccole per essere considerate, ma diventano significative nelle interazioni laser-plasma e nei contesti astrofisici, dove entrano in gioco campi ad alto elettromagnetico ed energie ad alto elettrone.

Un articolo pubblicato sulla rivista Revisione fisica X presenta prove di una reazione di radiazione che si verifica quando un impulso laser ad alta intensità si scontra con un fascio di elettroni ad alta energia. Un team di scienziati supportati dai progetti TeX-MEx e SF-QFT finanziati dall'UE ha condotto questo esperimento utilizzando il laser Astra Gemini appartenente alla Central Laser Facility nel Regno Unito.

Il laser Astra Gemini a doppio raggio genera due raggi laser sincronizzati, che insieme forniscono un quadrilione (10¹⁵) di watt di potenza. Nell'esperimento, un impulso laser è stato utilizzato per produrre un gruppo di elettroni ad alta energia attraverso un processo noto come accelerazione laser-wakefield, mentre il secondo laser era diretto al fascio di elettroni. Quando il raggio di elettroni e l'impulso laser si sono scontrati, gli elettroni oscillavano nel campo elettromagnetico del secondo laser e diffondevano i fotoni del raggio laser, che sono stati rilevati come raggi gamma. La perdita di energia degli elettroni ha provocato anche una reazione di radiazione.

La difficoltà di ottenere una collisione può essere meglio apprezzata se consideriamo il fatto che gli impulsi laser sono più sottili di un capello umano e, con ciascuno della durata di 45 quadrilionesimi di secondo, ha dovuto colpire quelli che uno degli scienziati ha descritto come "proiettili elettronici di dimensioni micron" che viaggiano a una velocità vicina alla luce. Si pensava che una collisione avesse avuto successo quando veniva rilevata una radiazione gamma ad alta energia. Tenendo conto di queste velocità e larghezze infinitesimali, insieme a fattori aggiuntivi come le variazioni del raggio di elettroni da un colpo all'altro e puntamento e tempismo del laser, è abbastanza chiaro il motivo per cui solo un piccolo numero di collisioni ha avuto successo.

Le misurazioni ottenute sono state utilizzate per confrontare modelli quantistici e classici di reazione alle radiazioni. È stato scoperto che i modelli classici tendevano a sovrastimare le forze di reazione alle radiazioni e le energie dei raggi gamma rispetto ai modelli quantistici. Si è inoltre concluso che i dati erano più coerenti con un modello elettromagnetico quantistico, ma resta il fatto che ciò si è verificato solo poco più del 68 percento delle volte e sono stati necessari ulteriori studi per valutare correttamente i diversi modelli.

La sfida principale del team di progetto per il futuro è combinare intensità laser elevate, stabilità del raggio e alte energie del raggio simultaneamente in esperimenti futuri al fine di raccogliere dati sufficienti per uno studio sistematico della reazione alla radiazione quantistica.