En el XFEL europeo en Schenefeld, cerca de Hamburgo, Investigadores de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf están configurando la línea de transmisión internacional Helmholtz para campos extremos (HIBEF). Para este propósito, los científicos de Dresde están instalando dos láseres de alta potencia en la estación HED (High Energy Density). Crédito:European XFEL / Jan Hosan
En las profundidades del espacio hay cuerpos celestes donde prevalecen condiciones extremas:las estrellas de neutrones que giran rápidamente generan campos magnéticos súper fuertes. Y agujeros negros con su enorme atracción gravitacional, puede causar enorme, Chorros energéticos de materia que se disparan al espacio. Un equipo internacional de física con la participación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha propuesto ahora un nuevo concepto que podría permitir que algunos de estos procesos extremos se estudien en el laboratorio en el futuro:una configuración especial de dos de alta intensidad Los rayos láser podrían crear condiciones similares a las que se encuentran cerca de las estrellas de neutrones. En el proceso descubierto, Se genera un chorro de antimateria y se acelera de manera muy eficiente. Los expertos presentan su concepto en la revista Física de las comunicaciones
La base del nuevo concepto es un pequeño bloque de plástico, atravesado por canales micrométricos finos. Actúa como objetivo para dos láseres. Estos disparan simultáneamente pulsos ultra fuertes en el bloque, uno de la derecha, el otro desde la izquierda:el bloque se toma literalmente con pinzas láser. "Cuando los pulsos láser penetran en la muestra, cada uno de ellos acelera una nube de electrones extremadamente rápidos, ", explica el físico de HZDR Toma Toncian." Estas dos nubes de electrones corren una hacia la otra con toda su fuerza, interactuando con el láser que se propaga en la dirección opuesta ”. La siguiente colisión es tan violenta que produce una cantidad extremadamente grande de cuantos gamma, partículas de luz con una energía incluso mayor que la de los rayos X.
El enjambre de gamma quanta es tan denso que las partículas de luz chocan inevitablemente entre sí. Y luego sucede algo loco:según la famosa fórmula de Einstein E =mc 2 , la energía luminosa puede transformarse en materia. En este caso, Deben crearse principalmente pares electrón-positrón. Los positrones son las antipartículas de los electrones. Lo que hace que este proceso sea especial es que "lo acompañan campos magnéticos muy fuertes, "describe el líder del proyecto Alexey Arefiev, físico de la Universidad de California en San Diego. "Estos campos magnéticos pueden enfocar los positrones en un rayo y acelerarlos fuertemente". En números:en una distancia de solo 50 micrómetros, las partículas deben alcanzar una energía de un gigaelectronvoltio (GeV), un tamaño que generalmente requiere un acelerador de partículas completamente desarrollado.
Las imágenes muestran cómo la densidad del plasma (que se muestra aquí en blanco y negro) evoluciona con el tiempo durante la irradiación con dos pulsos de láser de alta intensidad contrapropagados. La radiación de alta energía producida durante este proceso se destaca en color como densidad de fotones gamma. Estos fotones están tan juntos desde el momento en que los dos láseres chocaron que pueden chocar para crear pares de materia-antimateria. Crédito:Toma Toncian
Simulación por computadora exitosa
Para ver si la idea inusual podría funcionar, el equipo lo probó en una elaborada simulación por computadora. Los resultados son alentadores; en principio, el concepto debería ser factible. "Me sorprendió que los positrones que se crearon al final se formaran en un haz de alta energía y agrupado en la simulación, "Arefiev dice alegremente. Además, el nuevo método debería ser mucho más eficiente que las ideas anteriores, en el que solo se dispara un pulso de láser a un objetivo individual:según la simulación, el "láser doble golpe" debería poder generar hasta 100, 000 veces más positrones que el concepto de tratamiento único.
"También, en nuestro caso, los láseres no tendrían que ser tan poderosos como en otros conceptos, "Toncian explica." Esto probablemente facilitaría la puesta en práctica de la idea ". hay solo unos pocos lugares en el mundo donde se podría implementar el método. El más adecuado sería ELI-NP (Física Nuclear de Infraestructura Ligera Extrema), una instalación láser única en Rumania, financiado en gran parte por la Unión Europea. Tiene dos láseres ultrapotentes que pueden disparar simultáneamente a un objetivo, el requisito básico para el nuevo método.
Primeras pruebas en Hamburgo
Pruebas preliminares esenciales, sin embargo, podría tener lugar en Hamburgo de antemano:el XFEL europeo, el láser de rayos X más potente del mundo, se encuentra allí. El HZDR juega un papel importante en esta instalación a gran escala:lidera un consorcio de usuarios llamado HIBEF, que ha estado apuntando a la materia en estados extremos durante algún tiempo. "En HIBEF, colegas de HZDR, junto con el Instituto Helmholtz en Jena, están desarrollando una plataforma que se puede utilizar para probar experimentalmente si los campos magnéticos se forman realmente como predicen nuestras simulaciones, ", explica Toma Toncian." Esto debería ser fácil de analizar con los potentes destellos de rayos X del XFEL europeo ".
Tanto para la astrofísica como para la física nuclear, la nueva técnica podría resultar sumamente útil. Después de todo, También es probable que algunos procesos extremos en el espacio produzcan grandes cantidades de gamma quanta, que luego se materializan rápidamente nuevamente en pares de alta energía. "Es probable que estos procesos se lleven a cabo, entre otros, en la magnetosfera de los púlsares, es decir, de estrellas de neutrones que giran rápidamente, "dice Alexey Arefiev." Con nuestro nuevo concepto, tales fenómenos podrían simularse en el laboratorio, al menos hasta cierto punto, que luego nos permitiría comprenderlos mejor ".
