All'European XFEL di Schenefeld vicino ad Amburgo, i ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf stanno allestendo la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF). Per questo scopo, gli scienziati di Dresda stanno installando due laser ad alta potenza presso la stazione HED (High Energy Density). Credito:European XFEL / Jan Hosan
Nelle profondità dello spazio, ci sono corpi celesti dove prevalgono condizioni estreme:le stelle di neutroni in rapida rotazione generano campi magnetici super-forti. E buchi neri, con la loro enorme attrazione gravitazionale, può causare enormi, getti energetici di materia da sparare nello spazio. Un team internazionale di fisica con la partecipazione dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha ora proposto un nuovo concetto che potrebbe consentire in futuro di studiare in laboratorio alcuni di questi processi estremi:una configurazione speciale di due i raggi laser potrebbero creare condizioni simili a quelle che si trovano vicino alle stelle di neutroni. Nel processo scoperto, un getto di antimateria viene generato e accelerato in modo molto efficiente. Gli esperti presentano il loro concetto sulla rivista Fisica delle comunicazioni
La base del nuovo concept è un minuscolo blocchetto di plastica, attraversato da canali micrometrici. Funge da bersaglio per due laser. Questi sparano simultaneamente impulsi ultra-forti al blocco, uno da destra, l'altro da sinistra:il blocco è letteralmente preso da pinze laser. "Quando gli impulsi laser penetrano nel campione, ognuno di essi accelera una nuvola di elettroni estremamente veloci, " spiega il fisico HZDR Toma Toncian. "Queste due nuvole di elettroni poi corrono l'una verso l'altra con tutta la forza, interagendo con il laser che si propaga nella direzione opposta." La successiva collisione è così violenta che produce un numero estremamente elevato di quanti gamma, particelle di luce con un'energia persino superiore a quella dei raggi X.
Lo sciame di quanti gamma è così denso che le particelle di luce inevitabilmente si scontrano tra loro. E poi succede qualcosa di pazzesco:secondo la famosa formula di Einstein E=mc 2 , l'energia luminosa può trasformarsi in materia. In questo caso, dovrebbero essere create principalmente coppie elettrone-positrone. I positroni sono le antiparticelle degli elettroni. Ciò che rende speciale questo processo è che "campi magnetici molto forti lo accompagnano, " descrive il capo progetto Alexey Arefiev, un fisico presso l'Università della California a San Diego. "Questi campi magnetici possono focalizzare i positroni in un raggio e accelerarli fortemente". In numeri:su una distanza di soli 50 micrometri, le particelle dovrebbero raggiungere un'energia di un gigaelettronvolt (GeV) - una dimensione che di solito richiede un acceleratore di particelle completo.
Le immagini mostrano come la densità del plasma (mostrata qui in bianco e nero) si evolva nel tempo durante l'irradiazione con due impulsi laser ad alta intensità che si contropropagano. La radiazione ad alta energia prodotta durante questo processo è evidenziata a colori come densità di fotoni gamma. Questi fotoni sono così vicini dal momento in cui i due laser si sono scontrati che possono scontrarsi per creare coppie materia-antimateria. Credito:Toma Toncian
Simulazione al computer di successo
Per vedere se l'idea insolita potrebbe funzionare, il team lo ha testato in un'elaborata simulazione al computer. I risultati sono incoraggianti; in linea di principio, il concetto dovrebbe essere fattibile. "Sono rimasto sorpreso dal fatto che i positroni che sono stati creati alla fine sono stati formati in un fascio ad alta energia e in fasci nella simulazione, " dice felicemente Arefiev. Inoltre, il nuovo metodo dovrebbe essere molto più efficiente delle idee precedenti, in cui viene sparato un solo impulso laser su un singolo bersaglio:secondo la simulazione, il "laser double strike" dovrebbe essere in grado di generare fino a 100, 000 volte più positroni rispetto al concetto di trattamento singolo.
"Anche, nel nostro caso, i laser non dovrebbero essere così potenti come in altri concetti, "Spiega Toncian. "Questo probabilmente renderebbe l'idea più facile da mettere in pratica." Tuttavia, ci sono solo pochi posti al mondo in cui il metodo potrebbe essere implementato. Il più adatto sarebbe ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics), un impianto laser unico in Romania, in gran parte finanziato dall'Unione Europea. Ha due laser ultra potenti che possono sparare contemporaneamente su un bersaglio:il requisito di base per il nuovo metodo.
Primi test ad Amburgo
Prove preliminari essenziali, però, potrebbe svolgersi ad Amburgo in anticipo:The European XFEL, il laser a raggi X più potente al mondo, si trova lì. L'HZDR svolge un ruolo importante in questa struttura su larga scala:guida un consorzio di utenti chiamato HIBEF, che da tempo prende di mira la materia negli stati estremi. "All'HIBEF, colleghi dell'HZDR, insieme all'Istituto Helmholtz di Jena, stanno sviluppando una piattaforma che può essere utilizzata per testare sperimentalmente se i campi magnetici si formano effettivamente come prevedono le nostre simulazioni, " spiega Toma Toncian. "Questo dovrebbe essere facile da analizzare con i potenti flash a raggi X dell'XFEL europeo".
Sia per l'astrofisica che per la fisica nucleare, la nuova tecnica potrebbe essere estremamente utile. Dopotutto, è anche probabile che alcuni processi estremi nello spazio producano grandi quantità di quanti gamma, che poi si materializzano rapidamente di nuovo in coppie ad alta energia. "È probabile che tali processi abbiano luogo, tra gli altri, nella magnetosfera delle pulsar, cioè di stelle di neutroni in rapida rotazione, " dice Alexey Arefiev. "Con il nostro nuovo concetto, tali fenomeni potrebbero essere simulati in laboratorio, almeno in una certa misura, che poi ci permetterebbe di capirli meglio."
