Naukowcy odkryli reakcję promieniowania, która zachodzi, kiedy wiązka elektronów przemieszczających się z prędkością bliską prędkości światła zderzy się z laserem o duże mocy.

Promieniowanie elektromagnetyczne jest wszędzie. W falach radiowych, dzięki którym działają telefony komórkowe, w tęczy pojawiającej się na niebie czy w niewidocznych ludzkim okiem falach podczerwonych, za pomocą których zmieniamy kanały w telewizorze. Wiemy, że przybiera ono różne postacie, od fal radiowych i mikrofal po wysokoenergetyczne promienie rentgenowskie i gamma. Ale czym tak właściwie są fale elektromagnetyczne?

Promieniowanie elektromagnetyczne to energia, którą emituje naładowana cząstka, na przykład elektron, kiedy przyspiesza. Gdy przyspieszająca cząstka uwalnia tę energię, napotyka na siłę odrzutu, nazywaną „reakcją promieniowania”. W codziennych sytuacjach siły reakcji promieniowania są pomijalne, jednak stają się znaczące w przypadku oddziaływań między laserem i plazmą oraz w zjawiskach astrofizycznych, w których istotną rolę zaczynają odgrywać silne pola elektromagnetyczne i wysokie energie elektronów.

W artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Physical Review X” przedstawiono dowody na występowanie reakcji promieniowania, kiedy mocny impuls laserowy zderza się z wysokoenergetyczną wiązką elektronów. Zespół naukowców, korzystający ze wsparcia unijnych projektów TeX-MEx i SF-QFT, przeprowadził ten eksperyment z użyciem lasera Astra Gemini, należącego do laboratorium Central Laser Facility w Zjednoczonym Królestwie.

Laser Astra Gemini generuje dwie zsynchronizowane wiązki laserowe, dające łączną moc biliarda (10¹⁵) watów. W eksperymencie jeden impuls laserowy posłużył do uzyskania wiązki wysokoenergetycznych elektronów przy pomocy techniki LWFA (ang. „laser-wakefield acceleration”), natomiast drugi laser został skierowany na tę wiązkę elektronów. Kiedy wiązka elektronów i impuls laserowy zderzały się ze sobą, elektrony zaczęły drgać w polu elektromagnetycznym drugiego lasera, rozpraszając fotony wiązki laserowej, wykrywane następnie jako promienie gamma. Utrata energii przez elektrony wywołała także reakcję promieniowania.

Łatwiej będzie docenić, jakie trudności musieli pokonać uczeni w celu otrzymania kolizji, jeżeli uzmysłowimy sobie, że impulsy laserowe cieńsze od ludzkiego włosa i trwające 45 biliardowych części sekundy każdy musiały zderzyć się z – jak to ujęli naukowcy – „mikronowymi pociskami elektronowymi” poruszającymi się z prędkością bliską prędkości światła. Potwierdzeniem zajścia zderzenia było wykrycie wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Biorąc pod uwagę ogromne prędkości i niezwykle małą skalę przestrzenną eksperymentu, a także takie czynniki, jak zmienność wiązek elektronów czy celowanie i synchronizacja lasera, nie może dziwić, że tylko niewielka liczba zderzeń zakończyła się powodzeniem.

Uzyskane pomiary wykorzystano do porównania kwantowych i klasycznych modeli reakcji promieniowania. Stwierdzono, że modele klasyczne prowadzą do przeszacowania sił reakcji promieniowania i energii promieniowania gamma w porównaniu z modelami kwantowymi. Ustalono ponadto, że zebrane dane były bardziej spójne z kwantowym modelem elektromagnetycznym, aczkolwiek dotyczyło to tylko 68% przypadków, co oznacza, że potrzebne są dalsze badania, aby odpowiednio ocenić różne modele.

Spoglądając w przyszłość

Największe wyzwanie, przed jakim stoi teraz zespół, dotyczy połączenia wysokiej mocy lasera, stabilności wiązki oraz wysokich energii wiązki w przyszłych eksperymentach, tak by zebrać wystarczająco dużo danych pozwalających na systematyczne zbadanie kwantowej reakcji promieniowania.

Założeniem projektu TeX-MEx (Time resolved X-ray probing of Matter under Extreme conditions) jest wykorzystanie techniki laserowo-plazmowej do poszerzenia wiedzy na temat zachowania się materii we wszechświecie. Z kolej projekt SF-QFT (Fundamental physics with intense laser fields) ma na celu zbadanie relatywistycznych i kwantowych efektów w intensywnych polach laserowych, aby lepiej poznać te procesy oraz umożliwić prowadzenie eksperymentów z wykorzystaniem laserów o wysokiej intensywności w UE.

Źródło: www.cordis.europa.eu