Al golpear electrones con un láser ultra intenso, Los investigadores han revelado dinámicas que van más allá de la física "clásica" y apuntan a efectos cuánticos.

Siempre que la luz golpea un objeto, parte de la luz se dispersa desde la superficie del objeto. Sin embargo, si el objeto se mueve extremadamente rápido, y si la luz es increíblemente intensa, pueden suceder cosas extrañas.

Electrones por ejemplo, pueden ser sacudidos tan violentamente que en realidad disminuyen su velocidad porque irradian mucha energía. Los físicos llaman a este proceso "reacción de radiación".

Se cree que esta reacción de radiación ocurre alrededor de objetos como agujeros negros y cuásares (agujeros negros supermasivos rodeados por un disco de gas). Por lo tanto, poder medir la reacción a la radiación en el laboratorio proporcionará información sobre los procesos que ocurren en algunos de los entornos más extremos del universo.

La reacción a la radiación también es interesante para los físicos que estudian efectos más allá de la física 'clásica', ya que las ecuaciones (conocidas como ecuaciones de Maxwell) que tradicionalmente definen las fuerzas que actúan sobre los objetos se quedan cortas en estos entornos extremos.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el Imperial College de Londres ha demostrado la reacción a la radiación en el laboratorio por primera vez. Sus resultados se publican hoy en la revista Revisión física X .

Pudieron observar esta reacción de radiación al chocar un rayo láser un cuatrillón (mil millones de millones) de veces más brillante que la luz en la superficie del Sol con un rayo de electrones de alta energía. El experimento, que requería una precisión extrema y una sincronización exquisita, se logró utilizando el láser Gemini en la Instalación Láser Central del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología en el Reino Unido.

Los fotones de luz que se reflejan en un objeto que se mueve cerca de la velocidad de la luz aumentan su energía. En las condiciones extremas de este experimento, esto desplaza la luz reflejada desde la parte visible del espectro hasta los rayos gamma de alta energía. Este efecto les permitió a los investigadores saber cuándo habían chocado con éxito los rayos.

Autor principal del estudio, Dr. Stuart Mangles del Departamento de Física de Imperial, dijo:“Sabíamos que habíamos tenido éxito en colisionar los dos haces cuando detectamos radiación de rayos gamma de alta energía muy brillante.

"El resultado real vino entonces cuando comparamos esta detección con la energía en el haz de electrones después de la colisión. Descubrimos que estas colisiones exitosas tenían una energía de electrones menor a la esperada, lo cual es una clara evidencia de reacción a la radiación ".

El coautor del estudio, el profesor Alec Thomas, de la Universidad de Lancaster y la Universidad de Michigan, agregó:"Una cosa que siempre encuentro tan fascinante acerca de esto es que los electrones son detenidos con la misma eficacia por esta hoja de luz, una fracción del grosor de un cabello, como por algo así como un milímetro de plomo. Eso es extraordinario ".

Los datos del experimento también concuerdan mejor con un modelo teórico basado en los principios de la electrodinámica cuántica, en lugar de las ecuaciones de Maxwell, potencialmente proporcionando algunas de las primeras pruebas de modelos cuánticos no probados previamente.

El coautor del estudio, el profesor Mattias Marklund de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia cuyo grupo participó en el estudio, dijo:"Probar nuestras predicciones teóricas es de vital importancia para nosotros en Chalmers, especialmente en los nuevos regímenes donde hay mucho que aprender. Junto con la teoría, estos experimentos son la base para la investigación con láser de alta intensidad en el dominio cuántico ".

Sin embargo, se necesitarán más experimentos a una intensidad aún mayor o con haces de electrones de energía aún mayor para confirmar si esto es cierto. El equipo llevará a cabo estos experimentos el próximo año.

El equipo pudo hacer que la luz fuera tan intensa en el experimento actual al enfocarla en un punto muy pequeño (solo unos pocos micrómetros, una millonésima de metro, de ancho) y entregar toda la energía en una duración muy corta (solo 40 femtosegundos de largo :40 billonésimas de segundo).

Para hacer que el haz de electrones sea lo suficientemente pequeño como para interactuar con el láser enfocado, el equipo utilizó una técnica llamada "aceleración de campo de despertador láser".

La técnica de wakefield láser dispara otro pulso de láser intenso en un gas. El láser convierte el gas en plasma e impulsa una onda, llamado wakefield, detrás de él mientras viaja a través del plasma. Los electrones en el plasma pueden navegar en esta estela y alcanzar energías muy altas en una distancia muy corta.