Pochi minuti nella vita dell'universo, le emissioni in collisione di energia luminosa hanno creato le prime particelle di materia e antimateria. Conosciamo il processo inverso, la materia che genera energia, in qualsiasi cosa, da un falò a una bomba atomica, ma è stato difficile ricreare quella trasformazione critica della luce in materia.

Ora, una nuova serie di simulazioni da parte di un team di ricerca guidato da Alexey Arefiev dell'UC San Diego indica la strada per ricavare materia dalla luce. Il processo inizia puntando un laser ad alta potenza su un bersaglio per generare un campo magnetico forte come quello di una stella di neutroni. Questo campo genera emissioni di raggi gamma che si scontrano per produrre, per un brevissimo istante, coppie di particelle di materia e antimateria.

Lo studio, pubblicato l'11 maggio in Revisione fisica applicata offre una sorta di ricetta che gli sperimentatori presso le strutture laser ad alta potenza Extreme Light Infrastructure (ELI) nell'Europa orientale potrebbero seguire per produrre risultati reali in uno o due anni, disse Arefiev, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale.

"I nostri risultati mettono gli scienziati nella posizione di sondare, per la prima volta, uno dei processi fondamentali nell'universo, " Egli ha detto.

Sfruttare l'alta potenza

Arefiev, dottorato di ricerca lo studente Tao Wang e i loro colleghi del Relativistic Laser-Plasma Simulation Group hanno lavorato per anni su modi per creare intense, fasci diretti di energia e radiazione, lavoro che è supportato in parte dalla National Science Foundation e dall'Air Force Office of Science Research. Un modo per farlo, hanno notato, sarebbe puntare un laser ad alta potenza su un bersaglio per creare un campo magnetico molto forte che emetterebbe intense emissioni di energia.

Alta intensità, impulsi laser ultracorti mirati a un bersaglio denso possono rendere il bersaglio "relativamente trasparente, " poiché gli elettroni nel laser si muovono a una velocità molto vicina alla velocità della luce e diventano effettivamente più pesanti, Arefiev ha spiegato. Ciò impedisce agli elettroni del laser di spostarsi per schermare il bersaglio dalla luce del laser. Quando il laser spinge oltre questi elettroni, genera un campo magnetico forte quanto l'attrazione sulla superficie di una stella di neutroni, 100 milioni di volte più forte del campo magnetico terrestre.

Dire che tutto questo accade in un batter d'occhio è un'enorme esagerazione. Il campo magnetico esiste per 100 femtosecondi. (Un femtosecondo è 10 ^-15 di un secondo, un quadrilionesimo di secondo.) Ma "dal punto di vista del laser, il campo è quasi statico, " disse Arefiev. "Poi di nuovo, dal punto di vista del laser, le nostre vite sono probabilmente più lunghe della vita dell'universo."

Un laser ad alta potenza in questo caso è uno nella gamma multi-petawatt. Un petawatt è un milione di miliardi di watt. Per confronto, il Sole fornisce circa 174 petawatt di radiazione solare all'intera atmosfera superiore della Terra. Un puntatore laser fornisce circa 0,005 watt a una diapositiva Power Point.

Simulazioni precedenti suggerivano che il laser in questione avrebbe dovuto essere ad alta potenza e puntato su un punto minuscolo per produrre l'intensità necessaria per creare un campo magnetico sufficientemente forte. Le nuove simulazioni suggeriscono che aumentando la dimensione del punto focale e aumentando la potenza del laser a circa 4 petawatt, l'intensità del laser potrebbe rimanere fissa e creare ancora il forte campo magnetico.

In queste condizioni, le simulazioni mostrano, gli elettroni accelerati dal laser del campo magnetico stimolano l'emissione di raggi gamma ad alta energia.

"Non ci aspettavamo di non dover andare a un'intensità pazzesca, che è appena sufficiente aumentare la potenza e si può arrivare a cose molto interessanti, " disse Arefiev.

coppie di particelle

Una di queste cose interessanti è la produzione di coppie elettrone-positrone, particelle accoppiate di materia e antimateria. Queste particelle possono essere prodotte dalla collisione di due fasci di raggi gamma o dalla collisione di un raggio di raggi gamma con la radiazione del corpo nero, un oggetto che assorbe tutte le radiazioni che cadono su di esso. Il metodo ne produce molti, da decine a centinaia di migliaia di coppie nate da una collisione.

Gli scienziati hanno già compiuto l'impresa della luce nella materia, in particolare in un esperimento di Stanford del 1997, ma quel metodo richiedeva un flusso extra di elettroni ad alta energia, mentre il nuovo metodo "è solo la luce usata per produrre materia, " ha detto Arefiev. Ha anche notato che l'esperimento di Stanford "produrrebbe una coppia di particelle circa ogni 100 colpi".

Un esperimento che utilizza solo la luce per creare materia imita più da vicino le condizioni durante i primi minuti dell'universo, offrendo un modello migliorato per i ricercatori che desiderano saperne di più su questo periodo di tempo critico. L'esperimento potrebbe anche fornire maggiori possibilità di studiare le particelle di antimateria, che rimangono una parte misteriosa della composizione dell'universo. Ad esempio, gli scienziati sono curiosi di saperne di più sul perché l'universo sembra avere più materia che antimateria, quando i due dovrebbero esistere in quantità uguali.

Arefiev e i suoi colleghi sono stati incoraggiati a fare queste simulazioni ora perché sono ora disponibili le strutture laser in grado di eseguire gli esperimenti reali. "Abbiamo fatto specificamente i calcoli per i laser che non erano disponibili fino a poco tempo fa, ma ora dovrebbe essere disponibile in queste strutture laser, " Egli ha detto.

In una strana svolta, le simulazioni proposte dal team di ricerca potrebbero anche aiutare gli scienziati dell'ELI a determinare se i loro laser sono così intensi come pensano di essere. Sparare un laser nella gamma multipetawatt su un bersaglio di soli cinque micron di diametro "distrugge tutto, " ha detto Arefiev. "Spara e non c'è più, niente è recuperabile, e non puoi effettivamente misurare l'intensità di picco che produci."

Ma se gli esperimenti producono raggi gamma e coppie di particelle come previsto, "questa sarà una conferma che la tecnologia laser può raggiungere un'intensità così elevata, " Ha aggiunto.

L'anno scorso, i ricercatori dell'UC San Diego hanno ricevuto una sovvenzione dalla National Science Foundation degli Stati Uniti che consente loro di collaborare con i ricercatori ELI per condurre questi esperimenti. Questa partnership è fondamentale, Arefiev ha detto, perché non ci sono strutture negli Stati Uniti con laser abbastanza potenti, nonostante un rapporto del 2018 delle National Academies of Sciences avverta che gli Stati Uniti hanno perso il loro vantaggio nell'investire in un'intensa tecnologia laser ultraveloce.

Arefiev ha detto che le strutture laser ELI saranno pronte a testare le loro simulazioni in un paio d'anni. "Questo è il motivo per cui abbiamo scritto questo documento, perché il laser è operativo, quindi non siamo così lontani dal farlo davvero, " ha detto. "Con la scienza, è questo che mi attrae. Vedere per credere."