Un modo promettente per produrre e monitorare sulla Terra un processo critico per buchi neri, esplosioni di supernova e altri eventi cosmici estremi è stato proposto dagli scienziati del Dipartimento di Astrofisica dell’Università di Princeton, dello SLAC National Acceleraor Laboratory e del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Laboratorio di Fisica (PPPL). Questo processo, chiamato cascate di elettrodinamica quantistica (QED), può portare a supernovae – stelle che esplodono – e lampi radio veloci equivalenti all’energia dissipata dal Sole in tre giorni in millisecondi.

prima dimostrazione

I ricercatori hanno prodotto la prima dimostrazione teorica che la collisione di un laser di laboratorio con un intenso fascio di elettroni può produrre cascate QED ad alta intensità. “Mostriamo che ciò che una volta si pensava fosse impossibile è in realtà possibile”, ha detto Kenan Ko, autore principale di un documento di ricerca su Physical Review Letters (PRL) che descrive la dimostrazione. “Questo a sua volta indica come esplorare effetti collettivi precedentemente inosservati utilizzando l’attuale tecnologia laser e raggio di elettroni all’avanguardia”.

Il processo si svolge in modo semplice. La collisione di un potente impulso laser con un raggio di elettroni ad alta energia divide il 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.

Il plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e un nucleo atomico, costituisce il 99% 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 raggio di elettroni che la teoria combina per creare cascate QED. “Cerchiamo di simulare condizioni che creano coppie elettrone-positrone con una densità sufficiente per produrre effetti collettivi misurabili e vedere come verificare in modo inequivocabile questi effetti”, ha detto Chu.

Le missioni richiedevano che la firma della creazione di plasma di successo fosse rivelata attraverso il processo QED. I ricercatori hanno trovato una firma nello spostamento di un laser di intensità moderata a una frequenza più elevata a causa della proposta di trasmettere il laser contro il raggio di elettroni. “Questa scoperta risolve il problema comune di produrre un sistema al plasma QED più facilmente e monitorarlo più facilmente”, ha affermato Zhou. “La quantità di trasformazione varia a seconda della densità del plasma e dell’energia delle coppie”.

Oltre le attuali capacità

La teoria in precedenza mostrava che laser o campi elettrici o magnetici sufficientemente potenti potrebbero creare coppie di QED. Ma le quantità richieste sono troppo alte per superare le attuali capacità di laboratorio.

Tuttavia, “Si scopre che la tecnologia attuale nei laser e nei raggi relativistici [that travel near the speed of light]Se è co-localizzato, è sufficiente accedere e monitorare questo sistema, ha affermato il fisico Nat Fish, professore di astrofisica e direttore associato degli affari accademici al PPPL, coautore del documento PRL e investigatore principale del progetto. “Il punto è usare il laser per rallentare le coppie in modo che la loro massa diminuisca, migliorando così il loro contributo alla frequenza del plasma e rendendo l’assemblaggio plasma Gli effetti sono maggiori, ha detto Fish. “Condividere le tecnologie esistenti è molto più economico rispetto alla costruzione di un laser ad altissima intensità”.

Questo lavoro è stato finanziato da sovvenzioni della National Nuclear Security Administration e dell’Air Force Office of Scientific Research. I ricercatori si stanno ora preparando a testare i risultati teorici in SLAC presso la Stanford University, dove c’è una persona abbastanza forte laser È in fase di sviluppo e la sorgente dei fasci di elettroni è già in atto. Il fisico Sebastian Morin, coautore dell’articolo ed ex visitatore post-dottorato al PPPL che ora è allo SLAC, è coinvolto in modo centrale in questo sforzo.

“Come la maggior parte della fisica di base, questa ricerca mira a soddisfare la nostra curiosità sull’universo”, ha detto Chu. “Per la comunità in generale, un grande effetto è che potremmo risparmiare miliardi di dollari di entrate fiscali se la teoria potesse essere convalidata”.