A sinistra:nello schema proposto per sondare SF-QED con laser attuali o futuri, uno specchio al plasma modellato dalla pressione di radiazione converte un intenso impulso laser (rosso) in armoniche potenziate dal Doppler (viola) e li focalizza su un bersaglio secondario, raggiungendo intensità estreme. Le dimensioni coinvolte sono da decine a centinaia di micron (milionesimi di metro); il diametro di un capello umano varia da poche a diverse decine di micron. A destra:il contributo chiave di Berkeley Lab è stato guidare lo sviluppo del codice di simulazione utilizzato per la ricerca. In questa immagine di simulazione, gli intensi impulsi luminosi potenziati dal Doppler (rosso e blu) attraversano il bersaglio solido (grigio), generando fotoni ad alta energia (arancione) che decadono in coppie di elettroni (verde) e positroni (viola) dopo un'ulteriore interazione con gli impulsi luminosi in arrivo. Vengono mostrati solo i fotoni che non sono ancora decaduti in coppie.Credit:Luca Fedeli/CEA
Uno studio di modellazione teorica e computerizzata appena pubblicato suggerisce che i laser più potenti del mondo potrebbero finalmente rompere la fisica sfuggente dietro alcuni dei fenomeni più estremi dell'universo:esplosioni di raggi gamma, magnetosfere pulsar, e altro ancora.
Il team di ricerca internazionale dietro lo studio comprende ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e della Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica (CEA-LIDYL). Riportano i loro risultati nella prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica .
Il gruppo di ricerca è stato guidato da Henri Vincenti del CEA, che ha proposto il concetto fisico principale. Jean-Luc Vay e Andrew Myers, di Berkeley Lab's Accelerator Technology and Applied Physics Division (ATAP) e Computational Research Division, rispettivamente, ha guidato lo sviluppo del codice di simulazione utilizzato per la ricerca. (Vincenti ha precedentemente lavorato al Berkeley Lab come Marie Curie Research Fellow e rimane un affiliato ATAP e un frequente collaboratore.) Il lavoro teorico e numerico è stato guidato da Luca Fedeli del team di Vincenti al CEA.
Lo studio di modellazione del team mostra che i laser di classe petawatt (PW) - spremuti a intensità ancora più elevate tramite interazioni luce-materia - potrebbero fornire una chiave per svelare i misteri del regime di campo forte (SF) dell'elettrodinamica quantistica (QED). Un petawatt è 1 volte dieci alla quindicesima potenza (cioè, seguito da 15 zeri), o un quadrilione di watt. La potenza dei laser più potenti di oggi è misurata in petawatt.
"Questa è una potente dimostrazione di come la simulazione avanzata di sistemi complessi possa consentire nuovi percorsi per la scienza delle scoperte integrando più processi fisici, in questo caso, l'interazione del laser con un bersaglio e la successiva produzione di particelle in un secondo bersaglio, ", ha dichiarato Cameron Geddes, Direttore della Divisione ATAP.
I laser sondano alcuni dei segreti più gelosamente custoditi della natura
Mentre la QED è una pietra angolare della fisica moderna che ha resistito al rigore dell'esperimento per molti decenni, sondare SF-QED richiede campi elettromagnetici di un'intensità di molti ordini di grandezza oltre a quelli normalmente disponibili sulla Terra.
I ricercatori hanno provato strade secondarie per SF-QED, come l'utilizzo di potenti fasci di particelle provenienti da acceleratori per osservare le interazioni delle particelle con i forti campi che sono naturalmente presenti in alcuni cristalli allineati.
Per un approccio più diretto, i più alti campi elettromagnetici disponibili in un laboratorio sono forniti da laser di classe PW. Un laser 10-PW (il più potente al mondo in questo momento), concentrato fino a pochi micron, può raggiungere intensità prossime a 10 23 watt per centimetro quadrato. I valori del campo elettrico associati possono arrivare fino a 10 14 volt per metro. Tuttavia, lo studio di SF-QED richiede ampiezze di campo ancora più elevate, ordini di grandezza superiori a quelli ottenibili con quei laser.
Per rompere questa barriera, i ricercatori hanno pianificato di utilizzare potenti fasci di elettroni, accessibile a grandi acceleratori o strutture laser. Quando un impulso laser ad alta potenza si scontra con un fascio di elettroni relativistico, l'ampiezza del campo laser vista dagli elettroni nel loro frame di riposo può essere aumentata di ordini di grandezza, dando accesso a nuovi regimi SF-QED.
Sebbene tali metodi siano sperimentalmente impegnativi, poiché richiedono la sincronizzazione nello spazio e nel tempo di un impulso laser ad alta potenza e un fascio di elettroni relativistico su scala di femtosecondi e micron, alcuni di questi esperimenti sono stati condotti con successo, e molti altri sono previsti in tutto il mondo presso strutture laser di classe PW.
La successiva interazione di un impulso laser ad alta potenza (rosso e blu) con uno specchio al plasma (non mostrato) e un bersaglio secondario (grigio chiaro traslucido) potrebbe creare le condizioni per sondare gli effetti dell'elettrodinamica quantistica a campo forte che vanno ben oltre le attuali capacità sperimentali . Crediti:Luca Fedeli/CEA
Usando un movimento, specchio al plasma curvo per uno sguardo diretto
Il team di ricerca ha proposto un metodo complementare:uno schema compatto in grado di aumentare direttamente l'intensità dei raggi laser ad alta potenza esistenti. Si basa su un noto concetto di intensificazione della luce e sui loro studi teorici e di modellazione al computer.
Lo schema consiste nell'aumentare l'intensità di un impulso laser PW con uno specchio al plasma relativistico. Tale specchio può essere formato quando un raggio laser ad altissima intensità colpisce un bersaglio solido lucidato otticamente. A causa dell'elevata ampiezza del laser, il bersaglio solido è completamente ionizzato, formando un plasma denso che riflette la luce incidente. Allo stesso tempo la superficie riflettente viene effettivamente mossa dall'intenso campo laser. Per effetto di tale mozione, parte dell'impulso laser riflesso viene temporaneamente compressa e convertita in una lunghezza d'onda più corta dall'effetto Doppler.
La pressione delle radiazioni del laser conferisce a questo specchio al plasma una curvatura naturale. Questo focalizza il raggio potenziato dal Doppler in punti molto più piccoli, che può portare a guadagni di intensità estremi, più di tre ordini di grandezza, dove viene focalizzato il raggio laser potenziato dal Doppler. Le simulazioni indicano che un obiettivo secondario in questo punto darebbe chiare firme SF-QED negli esperimenti reali.
Berkeley Lab parte integrante dello sforzo internazionale di team-science
Lo studio ha attinto alle diverse risorse scientifiche del Berkeley Lab, incluso il suo codice di simulazione WarpX, che è stato sviluppato per modellare acceleratori di particelle avanzati sotto gli auspici dell'Exascale Computing Project del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Le nuove capacità di WarpX hanno permesso la modellazione dell'aumento di intensità e l'interazione dell'impulso potenziato con il bersaglio. Tutti i precedenti studi di simulazione erano stati in grado di esplorare solo configurazioni di prova di principio.
La verifica sperimentale della metodologia del gruppo di ricerca per sondare SF-QED potrebbe provenire dal Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), un laser di classe petawatt con un tasso di ripetizione, senza precedenti a quel potere, di un impulso al secondo. Ora è in costruzione una seconda linea di luce che potrebbe anche contribuire agli studi sperimentali di SF-QED da parte dei ricercatori del Berkeley Lab. Un nuovo laser proposto, kBELLA, potrebbe consentire futuri studi ad alta frequenza portando alla struttura un'alta intensità con un tasso di ripetizione di kilohertz.
La scoperta tramite WarpX di nuovi regimi di interazione laser-plasma ad alta intensità potrebbe avere vantaggi che vanno ben oltre le idee per esplorare SF-QED. Questi includono la migliore comprensione e progettazione di acceleratori a base di plasma come quelli sviluppati da BELLA. Più compatti e meno costosi degli acceleratori convenzionali di energia simile, potrebbero eventualmente cambiare le regole del gioco in applicazioni che vanno dall'estensione della portata della fisica delle alte energie alla penetrazione delle sorgenti di fotoni per l'imaging di precisione, all'impianto di ioni nei semiconduttori, curare il cancro, sviluppo di nuovi farmaci, e altro ancora.
"È gratificante poter contribuire alla convalida di nuovi, idee potenzialmente di grande impatto attraverso l'uso dei nostri nuovi algoritmi e codici, " Vay ha detto dei contributi del team di Berkeley Lab allo studio. "Questo fa parte della bellezza della scienza collaborativa del team".
