Genom att slå elektroner med en ultraintensiv laser, forskare har avslöjat dynamik som går utöver 'klassisk' fysik och antyder kvanteffekter.

När ljuset träffar ett föremål, några av ljuset sprider sig tillbaka från föremålets yta. Dock, om objektet rör sig extremt snabbt, och om ljuset är otroligt intensivt, konstiga saker kan hända.

Elektroner, till exempel, kan skakas så våldsamt att de faktiskt saktar ner eftersom de utstrålar så mycket energi. Fysiker kallar denna process för "strålningsreaktion".

Denna strålningsreaktion antas inträffa runt föremål som svarta hål och kvasarer (supermassiva svarta hål omgivna av en gasskiva). Att kunna mäta strålningsreaktion i labbet kommer därför att ge inblick i processer som sker i några av de mest extrema miljöerna i universum.

Strålningsreaktion är också intressant för fysiker som studerar effekter utöver 'klassisk' fysik, som ekvationerna (kända som Maxwells ekvationer) som traditionellt definierar krafterna som verkar på föremål blir korta i dessa extrema miljöer.

Nu, ett team av forskare under ledning av Imperial College London har visat strålningsreaktion i labbet för första gången. Deras resultat publiceras idag i tidningen Fysisk granskning X .

De kunde observera denna strålningsreaktion genom att kollidera en laserstråle en kvadrillion (en miljard miljoner) gånger ljusare än ljuset på solens yta med en högenergistråle av elektroner. Experimentet, som krävde extrem precision och utsökt timing, uppnåddes med Gemini -lasern vid Science and Technology Facilities Council's Central Laser Facility i Storbritannien.

Fotoner av ljus som reflekteras från ett objekt som rör sig nära ljusets hastighet får sin energi ökad. Under de extrema förhållandena för detta experiment, detta förskjuter det reflekterade ljuset från den synliga delen av spektrumet ända upp till hög energi gammastrålning. Denna effekt meddelade forskarna när de framgångsrikt hade kolliderat strålarna.

Seniorförfattare till studien, Dr Stuart Mangles från Institutionen för fysik vid Imperial, sa:"Vi visste att vi hade lyckats med att kollidera de två strålarna när vi upptäckte mycket ljus hög energi gammastrålning.

"Det verkliga resultatet kom sedan när vi jämförde denna detektion med energin i elektronstrålen efter kollisionen. Vi fann att dessa framgångsrika kollisioner hade en lägre elektronenergi än väntat, vilket är tydligt bevis på strålningsreaktion. "

Studera medförfattare professor Alec Thomas, från Lancaster University och University of Michigan, tillade:"En sak som jag alltid tycker är så fascinerande med detta är att elektronerna stoppas lika effektivt av detta ljusark, en bråkdel av en hårbredd tjock, som med en millimeter bly. Det är extraordinärt. "

Data från experimentet överensstämmer också bättre med en teoretisk modell baserad på principerna för kvantelektrodynamik, snarare än Maxwells ekvationer, möjligen tillhandahålla några av de första bevisen på tidigare otestade kvantmodeller.

Studera medförfattare professor Mattias Marklund vid Chalmers tekniska universitet, Sverige vars grupp deltog i studien, sade:"Att testa våra teoretiska förutsägelser är av central betydelse för oss på Chalmers, särskilt i nya regimer där det finns mycket att lära. I kombination med teori, dessa experiment är en grund för högintensiv laserforskning inom kvantdomänen. "

Men fler experiment med ännu högre intensitet eller med ännu högre energi elektronstrålar kommer att behövas för att bekräfta om detta är sant. Teamet kommer att genomföra dessa experiment under det kommande året.

Teamet kunde göra ljuset så intensivt i det aktuella experimentet genom att fokusera det till en mycket liten plats (bara några mikrometer - miljondelar av en meter över) och leverera all energi på mycket kort tid (bara 40 femtosekunder lång :40 kvadriljondelar av en sekund).

För att göra elektronstrålen tillräckligt liten för att interagera med den fokuserade lasern, laget använde en teknik som kallades 'laser wakefield -acceleration'.

Laserwakefield -tekniken avfyrar ytterligare en intensiv laserpuls i en gas. Lasern förvandlar gasen till en plasma och driver en våg, kallade wakefield, bakom den när den färdas genom plasma. Elektroner i plasma kan surfa på detta kölvatten och nå mycket höga energier på mycket kort avstånd.