Izquierda:en el esquema propuesto para sondear SF-QED con láseres actuales o del futuro cercano, un espejo de plasma formado por presión de radiación convierte un pulso de láser intenso (rojo) en armónicos potenciados por Doppler (violeta) y los enfoca en un objetivo secundario, alcanzando intensidades extremas. Las dimensiones involucradas son de decenas a cientos de micrones (millonésimas de metro); el diámetro de un cabello humano es de unas pocas a varias decenas de micrones. Derecha:La contribución clave de Berkeley Lab fue liderar el desarrollo del código de simulación utilizado para la investigación. En esta imagen de simulación, los intensos pulsos de luz potenciados por Doppler (rojo y azul) atraviesan el objetivo sólido (gris), generando fotones de alta energía (naranja) que se descomponen en pares de electrones (verde) y positrones (violeta) después de una mayor interacción con los pulsos de luz entrantes. Solo se muestran los fotones que aún no se han descompuesto en pares.Crédito:Luca Fedeli / CEA
Un estudio teórico y de modelado por computadora recientemente publicado sugiere que los láseres más poderosos del mundo podrían finalmente descifrar la elusiva física detrás de algunos de los fenómenos más extremos del universo:estallidos de rayos gamma, magnetosferas pulsar, y más.
El equipo de investigación internacional detrás del estudio incluye investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia (CEA-LIDYL). Informan sus hallazgos en la prestigiosa revista Cartas de revisión física .
El equipo de investigación fue dirigido por Henri Vincenti de CEA, quien propuso el principal concepto físico. Jean-Luc Vay y Andrew Myers, de la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada (ATAP) y la División de Investigación Computacional de Berkeley Lab, respectivamente, lideró el desarrollo del código de simulación utilizado para la investigación. (Vincenti trabajó anteriormente en Berkeley Lab como becario de investigación Marie Curie y sigue siendo un afiliado de ATAP y colaborador frecuente). El trabajo teórico y numérico fue dirigido por Luca Fedeli del equipo de Vincenti en CEA.
El estudio de modelado del equipo muestra que los láseres de clase de petavatios (PW) —expulsados a intensidades aún más altas a través de interacciones luz-materia— podrían proporcionar una clave para desbloquear los misterios del régimen de campo fuerte (SF) de la electrodinámica cuántica (QED). Un petavatio es 1 multiplicado por diez elevado a la decimoquinta potencia (es decir, seguido de 15 ceros), o un billón de vatios. La salida de los láseres más potentes de la actualidad se mide en petavatios.
"Esta es una demostración poderosa de cómo la simulación avanzada de sistemas complejos puede permitir nuevos caminos para la ciencia del descubrimiento mediante la integración de múltiples procesos físicos; en este caso, la interacción del láser con un objetivo y la posterior producción de partículas en un segundo objetivo, ", dijo el director de la división ATAP, Cameron Geddes.
Los láseres exploran algunos de los secretos más celosamente guardados de la naturaleza
Si bien la QED es una piedra angular de la física moderna que ha resistido el rigor de los experimentos durante muchas décadas, sondear SF-QED requiere campos electromagnéticos de una intensidad muchos órdenes de magnitud más allá de los normalmente disponibles en la Tierra.
Los investigadores han probado rutas secundarias a SF-QED, como el uso de potentes haces de partículas de aceleradores para observar las interacciones de las partículas con los campos fuertes que están presentes de forma natural en algunos cristales alineados.
Para un enfoque más directo, los campos electromagnéticos más altos disponibles en un laboratorio son entregados por láseres de clase PW. Un láser de 10 PW (el más potente del mundo en este momento), enfocado hasta unas pocas micras, puede alcanzar intensidades cercanas a 10 23 vatios por centímetro cuadrado. Los valores de campo eléctrico asociados pueden ser tan altos como 10 14 voltios por metro. Sin embargo, estudiar SF-QED requiere amplitudes de campo aún mayores que eso, órdenes de magnitud más allá de lo que se puede lograr con esos láseres.
Para romper esta barrera los investigadores han planeado recurrir a potentes haces de electrones, accesible en grandes instalaciones de aceleradores o láser. Cuando un pulso láser de alta potencia choca con un haz de electrones relativista, la amplitud del campo láser visto por los electrones en su marco de reposo se puede aumentar en órdenes de magnitud, dando acceso a nuevos regímenes SF-QED.
Aunque tales métodos son un desafío experimental, ya que exigen la sincronización en el espacio y el tiempo de un pulso láser de alta potencia y un haz de electrones relativista a escalas de femtosegundos y micrones, algunos de estos experimentos se han llevado a cabo con éxito, y se planean varios más en todo el mundo en instalaciones láser de clase PW.
La interacción sucesiva de un pulso láser de alta potencia (rojo y azul) con un espejo de plasma (no mostrado) y un objetivo secundario (gris claro translúcido) podría crear las condiciones para probar los efectos de la Electrodinámica cuántica de campo fuerte que están mucho más allá de las capacidades experimentales actuales. . Crédito:Luca Fedeli / CEA
Usando un movimiento, espejo de plasma curvo para una mirada directa
El equipo de investigación propuso un método complementario:un esquema compacto que puede aumentar directamente la intensidad de los rayos láser de alta potencia existentes. Se basa en un conocido concepto de intensificación de la luz y en sus estudios teóricos y de modelado informático.
El esquema consiste en aumentar la intensidad de un pulso láser PW con un espejo de plasma relativista. Un espejo de este tipo se puede formar cuando un rayo láser de intensidad ultra alta incide en un objetivo sólido ópticamente pulido. Debido a la alta amplitud del láser, el objetivo sólido está completamente ionizado, formando un plasma denso que refleja la luz incidente. Al mismo tiempo, el intenso campo láser mueve la superficie reflectante. Como resultado de ese movimiento, parte del pulso láser reflejado se comprime temporalmente y se convierte en una longitud de onda más corta mediante el efecto Doppler.
La presión de radiación del láser le da a este espejo de plasma una curvatura natural. Esto enfoca el rayo potenciado por Doppler a puntos mucho más pequeños, lo que puede conducir a ganancias de intensidad extremas, más de tres órdenes de magnitud, donde se enfoca el rayo láser potenciado por Doppler. Las simulaciones indican que un objetivo secundario en este foco daría firmas claras de SF-QED en experimentos reales.
Berkeley Lab es parte integral del esfuerzo científico en equipo internacional
El estudio se basó en los diversos recursos científicos de Berkeley Lab, incluido su código de simulación WarpX, que fue desarrollado para modelar aceleradores de partículas avanzados bajo los auspicios del Proyecto de Computación Exascale del Departamento de Energía de EE. UU. Las nuevas capacidades de WarpX permitieron modelar el aumento de intensidad y la interacción del pulso aumentado con el objetivo. Todos los estudios de simulación anteriores solo habían podido explorar configuraciones de prueba de principio.
La verificación experimental de la metodología del equipo de investigación para sondear SF-QED podría provenir del Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), un láser de clase de petavatios con una tasa de repetición, sin precedentes en ese poder, de un pulso por segundo. Ahora en construcción hay una segunda línea de luz que también podría contribuir a los estudios experimentales de SF-QED realizados por investigadores de Berkeley Lab. Un nuevo láser propuesto, kBELLA, podría permitir futuros estudios de alta tasa al llevar alta intensidad a una tasa de repetición de kilohercios a la instalación.
El descubrimiento a través de WarpX de nuevos regímenes de interacción láser-plasma de alta intensidad podría tener beneficios mucho más allá de las ideas para explorar SF-QED. Estos incluyen la mejor comprensión y diseño de aceleradores basados en plasma, como los que se están desarrollando en BELLA. Más compactos y menos costosos que los aceleradores convencionales de energía similar, Eventualmente, podrían cambiar las reglas del juego en aplicaciones que van desde extender el alcance de la física de alta energía y penetrar fuentes de fotones para obtener imágenes de precisión, a la implantación de iones en semiconductores, tratar el cáncer, desarrollar nuevos productos farmacéuticos, y más.
"Es gratificante poder contribuir a la validación de nuevos, ideas potencialmente muy impactantes mediante el uso de nuestros nuevos algoritmos y códigos, "Vay dijo sobre las contribuciones del equipo de Berkeley Lab al estudio." Esto es parte de la belleza de la ciencia en equipo colaborativo ".
