Un metodo promettente per produrre e osservare sulla Terra un processo importante per i buchi neri, esplosioni di supernova e altri eventi cosmici estremi sono stati proposti dagli scienziati del Dipartimento di Scienze Astrofisiche dell'Università di Princeton, Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC, e il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Il processo, chiamate cascate quantistiche elettrodinamiche (QED), può portare a supernove - stelle che esplodono - e lampi radio veloci che equivalgono in millisecondi all'energia che il sole emette in tre giorni.

Prima dimostrazione

I ricercatori hanno prodotto la prima dimostrazione teorica che la collisione di un laser di laboratorio con un fascio di elettroni denso può produrre cascate QED ad alta densità. "Mostriamo che ciò che si pensava fosse impossibile è in realtà possibile, " ha detto Kenan Qu, autore principale di un articolo in Physical Review Letters (PRL) che descrive la dimostrazione rivoluzionaria. "Ciò a sua volta suggerisce come gli effetti collettivi precedentemente non osservati possono essere sondati con tecnologie laser e raggio di elettroni all'avanguardia esistenti".

Il processo si svolge in modo semplice. La collisione di un forte impulso laser con un fascio di elettroni ad alta energia divide un vuoto in coppie elettrone-positrone ad alta densità che iniziano a interagire tra loro. Questa interazione crea i cosiddetti effetti plasma collettivi che influenzano il modo in cui le coppie rispondono collettivamente ai campi elettrici o magnetici.

Plasma, il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, costituisce il 99 percento dell'universo visibile. Il plasma alimenta le reazioni di fusione che alimentano il sole e le stelle, un processo che PPPL e scienziati di tutto il mondo stanno cercando di sviluppare sulla Terra. I processi plasmatici in tutto l'universo sono fortemente influenzati dai campi elettromagnetici.

Il documento PRL si concentra sulla forza elettromagnetica del laser e sull'energia del fascio di elettroni che la teoria riunisce per creare cascate QED. "Cerchiamo di simulare le condizioni che creano coppie elettrone-positrone con una densità sufficiente da produrre effetti collettivi misurabili e vedere come verificare inequivocabilmente questi effetti, " disse Qu.

I compiti richiedevano di scoprire la firma della creazione di plasma di successo attraverso un processo QED. I ricercatori hanno trovato la firma nello spostamento di un laser moderatamente intenso a una frequenza più alta causata dalla proposta di inviare il laser contro un raggio di elettroni. "Questa scoperta risolve il problema congiunto di produrre il regime del plasma QED più facilmente e osservarlo più facilmente, " Qu ha detto. "La quantità di spostamento varia a seconda della densità del plasma e l'energia delle coppie."

Oltre le attuali capacità

La teoria ha mostrato in precedenza che laser o campi elettrici o magnetici sufficientemente forti potrebbero creare coppie QED. Ma le grandezze richieste sono così alte da essere al di là delle attuali capacità di laboratorio.

Però, "Si scopre che la tecnologia attuale nei laser e nei raggi relativistici [che viaggiano vicino alla velocità della luce], se co-locato, è sufficiente per accedere e osservare questo regime, " ha detto il fisico Nat Fisch, professore di scienze astrofisiche e direttore associato per gli affari accademici presso PPPL, e co-autore del documento PRL e ricercatore principale del progetto. "Un punto chiave è usare il laser per rallentare le coppie in modo che la loro massa diminuisca, aumentando così il loro contributo alla frequenza del plasma e aumentando gli effetti collettivi del plasma, " ha detto Fisch. "Co-localizzare le attuali tecnologie è molto più economico che costruire laser super-intensi, " Egli ha detto.

Questo lavoro è stato finanziato da sovvenzioni della National Nuclear Security Administration e dell'Air Force Office of Scientific Research. I ricercatori ora si stanno preparando per testare i risultati teorici allo SLAC della Stanford University, dove si sta sviluppando un laser moderatamente forte e la sorgente di fasci di elettroni è già lì. Il fisico Sebastian Meuren, un coautore del documento ed un ex visitatore post-dottorato presso PPPL che ora è allo SLAC, è al centro di questo sforzo.

"Come la maggior parte della fisica fondamentale, questa ricerca serve a soddisfare la nostra curiosità sull'universo, " Qu ha detto. "Per la comunità in generale, un grande impatto è che possiamo risparmiare miliardi di dollari di entrate fiscali se la teoria può essere convalidata".