Partiklar som färdas genom tomma utrymmen kan avge ljusa blixtar av gammastrålar genom att interagera med kvantvakuumet, enligt en ny studie av forskare vid University of Strathclyde.

Det har länge varit känt att laddade partiklar, såsom elektroner och protoner, producerar den elektromagnetiska ekvivalenten till en sonisk bom när deras hastigheter överstiger fotonen i det omgivande mediet. Denna effekt, känd som Cherenkov -utsläpp, är ansvarig för den karakteristiska blå glöd från vatten i en kärnreaktor, och används för att detektera partiklar vid CERN Large Hadron Collider.

Enligt Einstein, ingenting kan resa snabbare än ljus i vakuum. På grund av detta, det antas vanligtvis att Cherenkov-emissionen inte kan ske i vakuum. Men enligt kvantteorin, själva vakuumet är packat med "virtuella partiklar", som tillfälligt rör sig in och ut ur tillvaron.

Dessa spöklika partiklar är vanligtvis inte observerbara men, i närvaro av extremt starka elektriska och magnetiska fält, de kan göra vakuumet till ett optiskt medium där ljusets hastighet sänks så att laddade partiklar med hög hastighet kan avge Cherenkov -gammastrålar. Detta är helt oväntat i ett vakuum.

En grupp fysikforskare vid Strathclyde har funnit att under extrema förhållanden, som finns i fokus för världens mest kraftfulla lasrar, och de enorma magnetfälten runt neutronstjärnor, detta "polariserade" vakuum kan sakta ner gammastrålning precis tillräckligt för att Cherenkov -utsläpp ska uppstå. Detta innebär att de kosmiska strålarna med den högsta energin som passerar genom magnetfälten som omger pulsarer övervägande ska avge Cherenkov -strålning, mycket mer än andra typer som synkrotronstrålning. forskningen har publicerats som ett redaktörers förslag i Fysiska granskningsbrev . Det utgjorde en del av det EPSRC-finansierade Lab in a Bubble-projekt som leddes av professor Dino Jaroszynski, att undersöka en rad fundamentala fenomen som uppstår i laser-plasma-interaktioner, med applikationer inom industrin, säkerhet och medicin.

Professor Jaroszynski sa:"The Lab in a Bubble -projektet ger ett unikt tillfälle att använda högeffektlasrar för att främja både grundläggande kunskap och avancerad teknik till förmån för samhället." Detta är en mycket spännande ny förutsägelse eftersom den kan ge svar på grundläggande frågor som vad är ursprunget till gammastrålskenet i galaxernas centrum? Också, det ger ett nytt sätt att testa några av de mest grundläggande vetenskapsteorierna genom att driva dem till sina gränser.

"Vad är mer, det kommer att ge ett stort bidrag till fysikens nya High Field-gräns, möjliggjord av de anmärkningsvärda framstegen inom laserteknik som fick Nobelpriset i fysik 2018. "Dr. Adam Noble, som kom på idén och ledde den teoretiska forskningsinsatsen, sade:Vi tar det för givet att ingenting kan komma ut ur det tomma utrymmet som består av rent vakuum. Men detta är inte riktigt sant; modern kvantfysik säger något annat, och det finns några spännande överraskningar.

"Det finns en enorm internationell ansträngning för att flytta fram gränserna för laserteknik. Även om detta drivs av de många praktiska tillämpningarna av högeffektlasrar, dess framgång kommer att bero på att förstå alla de grundläggande processerna som är involverade i interaktioner mellan laser och materia. Dessa resultat avslöjar en ny aspekt av dessa processer. "

Alexander Macleod, som också arbetade med projektet som en del av sin doktorsexamen projekt, sade:"Kvantelektrodynamik är en av de bäst testade teorierna inom fysik, med extraordinär överensstämmelse mellan teoretiska förutsägelser och experimentella data. Men denna överenskommelse har bara verifierats i svagfältsregimen. Vakuum Cherenkov-strålning erbjuder ett nytt sätt att testa om den överlever i gränsen för starkt fält. "

Lab in a Bubble är en £ 4,5mil Strathclyde-ledd, EPSRC-finansierat projekt för produktion av bubbelstora "laboratorier" som kan öka cancerbehandlingen, medicinsk bildbehandling och industriella processer, förutom att möjliggöra utredning av grundläggande fysikproblem.

Forskare i det internationella projektet siktar på att använda kraftfulla lasrar för att utföra experiment i plasmabubblor så små att deras diametrar motsvarar en tiondel av ett människohårs tvärsnitt. Plasma bildar 99,999% av synlig materia i universum.