Un método prometedor para producir y observar en la Tierra un proceso importante para los agujeros negros, Las explosiones de supernovas y otros eventos cósmicos extremos han sido propuestos por científicos del Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton. Laboratorio Nacional SLAC Aceleraor, y el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). El proceso, llamadas cascadas de electrodinámica cuántica (QED), puede conducir a supernovas (estrellas en explosión) y ráfagas de radio rápidas que equivalen en milisegundos a la energía que emite el sol en tres días.

Primera demostración

Los investigadores produjeron la primera demostración teórica de que la colisión de un láser de laboratorio con un haz de electrones denso puede producir cascadas QED de alta densidad. "Demostramos que lo que se pensaba que era imposible es de hecho posible, "dijo Kenan Qu, autor principal de un artículo en Physical Review Letters (PRL) que describe la demostración del avance. "Eso a su vez sugiere cómo los efectos colectivos previamente no observados se pueden probar con las tecnologías de haz de electrones y láser de vanguardia existentes".

El proceso se desarrolla de manera sencilla. La colisión de un fuerte pulso láser con un haz de electrones de alta energía divide el vacío en pares de electrones y positrones de alta densidad que comienzan a interactuar entre sí. Esta interacción crea lo que se denominan efectos de plasma colectivos que influyen en la forma en que los pares responden colectivamente a los campos eléctricos o magnéticos.

Plasma, el caliente, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, constituye el 99 por ciento del universo visible. El plasma alimenta las reacciones de fusión que alimentan el sol y las estrellas, un proceso que PPPL y científicos de todo el mundo buscan desarrollar en la Tierra. Los procesos del plasma en todo el universo están fuertemente influenciados por campos electromagnéticos.

El artículo PRL se centra en la fuerza electromagnética del láser y la energía del haz de electrones que la teoría reúne para crear cascadas QED. "Buscamos simular las condiciones que crean pares electrón-positrón con suficiente densidad para que produzcan efectos colectivos mensurables y ver cómo verificar sin ambigüedades estos efectos". "Dijo Qu.

Las tareas requerían descubrir la firma de la creación de plasma exitosa a través de un proceso QED. Los investigadores encontraron la firma en el cambio de un láser de intensidad moderada a una frecuencia más alta causado por la propuesta de enviar el láser contra un rayo de electrones. "Ese hallazgo resuelve el problema conjunto de producir el régimen de plasma QED más fácilmente y observarlo más fácilmente, "Qu dijo." La cantidad de cambio varía dependiendo de la densidad del plasma y la energía de los pares ".

Más allá de las capacidades actuales

La teoría mostró anteriormente que láseres o campos eléctricos o magnéticos suficientemente fuertes podrían crear pares QED. Pero las magnitudes requeridas son tan altas que están más allá de las capacidades actuales de laboratorio.

Sin embargo, "Resulta que la tecnología actual en láseres y rayos relativistas [que viajan cerca de la velocidad de la luz], si está ubicado, es suficiente para acceder y observar este régimen, "dijo el físico Nat Fisch, profesor de ciencias astrofísicas y director asociado de asuntos académicos en PPPL, y coautor del artículo de PRL e investigador principal del proyecto. "Un punto clave es usar el láser para ralentizar los pares de modo que su masa disminuya, aumentando así su contribución a la frecuencia del plasma y haciendo que los efectos colectivos del plasma sean mayores, ", Dijo Fisch." La ubicación conjunta de las tecnologías actuales es mucho más barata que la construcción de láseres superintensos, " él dijo.

Este trabajo fue financiado por subvenciones de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Los investigadores ahora se están preparando para probar los hallazgos teóricos en SLAC en la Universidad de Stanford, donde se está desarrollando un láser moderadamente fuerte y la fuente de rayos de electrones ya está allí. El físico Sebastian Meuren, un coautor del artículo y ex visitante postdoctoral en PPPL que ahora está en SLAC, participa de manera central en este esfuerzo.

"Como la mayoría de la física fundamental, esta investigación tiene como objetivo satisfacer nuestra curiosidad por el universo, "Qu dijo." Para la comunidad en general, un gran impacto es que podemos ahorrar miles de millones de dólares en ingresos fiscales si la teoría puede ser validada ".