Några minuter in i universums liv, kolliderande utsläpp av ljusenergi skapade de första partiklarna av materia och antimateria. Vi är bekanta med den omvända processen – materia som genererar energi – i allt från en lägereld till en atombomb, men det har varit svårt att återskapa den där kritiska omvandlingen av ljus till materia.

Nu, en ny uppsättning simuleringar av en forskargrupp ledd av UC San Diegos Alexey Arefiev visar vägen mot att göra materia från ljus. Processen börjar med att rikta en högeffektlaser mot ett mål för att generera ett magnetfält som är lika starkt som det hos en neutronstjärna. Detta fält genererar gammastrålning som kolliderar för att producera - för det allra kortaste ögonblicket - par av materia och antimateria partiklar.

Studien, publicerad 11 maj i Fysisk granskning tillämpad erbjuder ett slags recept som experimentalister vid Extreme Light Infrastructure (ELI) högeffektlaseranläggningar i Östeuropa kan följa för att producera verkliga resultat inom ett till två år, sa Arefiev, en docent i maskin- och flygteknik.

"Våra resultat gör att forskare kan undersöka, för första gången, en av de grundläggande processerna i universum, " han sa.

Utnyttja hög effekt

Arefiev, Ph.D. studenten Tao Wang och deras kollegor på Relativistic Laser-Plasma Simulation Group har arbetat i flera år på sätt att skapa intensiva, riktade strålar av energi och strålning, arbete som delvis stöds av National Science Foundation och Air Force Office of Science Research. Ett sätt att åstadkomma detta, de noterade, skulle vara att rikta en högeffektlaser mot ett mål för att skapa ett mycket starkt magnetfält som skulle kasta ut intensiva energiutsläpp.

Hög intensitet, ultrakorta laserpulser riktade mot ett tätt mål kan göra målet "relativistiskt transparent, " när elektronerna i lasern rör sig med en hastighet mycket nära ljusets hastighet och effektivt blir tyngre, Arefiev förklarade. Detta hindrar laserns elektroner från att röra sig för att skydda målet från laserns ljus. När lasern trycker förbi dessa elektroner, den genererar ett magnetfält lika starkt som dragningen på ytan av en neutronstjärna – 100 miljoner gånger starkare än jordens magnetfält.

Att säga att allt händer på ett ögonblick är en stor överdrift. Magnetfältet existerar i 100 femtosekunder. (En femtosekund är 10 ^-15 av en sekund — en kvadrilliondels sekund.) Men "ur laserns synvinkel, fältet är kvasistatisk, sade Arefiev. Sedan igen, ur laserns synvinkel, våra liv är förmodligen längre än universums liv."

En högeffektlaser är i detta fall en i multi-petawatt-intervallet. En petawatt är en miljon miljarder watt. För jämförelse, Solen levererar cirka 174 petawatt solstrålning till hela jordens övre atmosfär. En laserpekare levererar cirka 0,005 watt till en Power Point-slide.

Tidigare simuleringar antydde att lasern i fråga skulle behöva ha hög effekt och riktad mot en liten punkt för att producera den intensitet som krävs för att skapa ett tillräckligt starkt magnetfält. De nya simuleringarna tyder på att genom att öka storleken på brännpunkten och öka lasereffekten till cirka 4 petawatt, laserns intensitet kan förbli fixerad och fortfarande skapa det starka magnetfältet.

Under dessa omständigheter, simuleringarna visar, magnetfältets laseraccelererade elektroner sporrar emissionen av högenergigammastrålar.

"Vi förväntade oss inte att vi inte behövde gå till en galen intensitet, att det bara räcker för att öka kraften och du kan komma till mycket intressanta saker, sa Arefiev.

Partikelpar

En av de intressanta sakerna är produktionen av elektron-positronpar - parade partiklar av materia och antimateria. Dessa partiklar kan produceras genom att två gammastrålar kolliderar eller en gammastrålning med svartkroppsstrålning, ett föremål som absorberar all strålning som faller på det. Metoden producerar många av dem — tiotals till hundratusentals par födda ur en kollision.

Forskare har utfört det lätta-i-materia bedriften tidigare, särskilt i ett Stanford-experiment från 1997, men den metoden krävde en extra ström av högenergielektroner, medan den nya metoden "endast är ljus som används för att producera materia, " sa Arefiev. Han noterade också att Stanford-experimentet "skulle producera ett partikelpar ungefär var 100:e skott."

Ett experiment som bara använder ljus för att skapa materia efterliknar förhållandena under universums första minuter, erbjuder en förbättrad modell för forskare som vill lära sig mer om denna kritiska tidsperiod. Experimentet kan också ge fler chanser att studera antimateriapartiklar, som förblir en mystisk del av universums sammansättning. Till exempel, forskare är nyfikna på att lära sig mer om varför universum verkar ha mer materia än antimateria, när de två borde finnas i lika stora mängder.

Arefiev och hans kollegor uppmuntrades att göra dessa simuleringar nu eftersom laseranläggningarna som kan utföra de faktiska experimenten nu finns tillgängliga. "Vi gjorde specifikt beräkningarna för de lasrar som inte har varit tillgängliga förrän nyligen, men nu borde vara tillgänglig vid dessa laseranläggningar, " han sa.

I en udda vändning, de simuleringar som forskargruppen föreslår kan också hjälpa ELI-forskarna att avgöra om deras lasrar är så intensiva som de tror att de är. Att avfyra en laser i multi-petawattområdet mot ett mål som bara är fem mikron i diameter "förstör allt, sade Arefiev. "Du skjuter och det är borta, ingenting är återvinningsbart, och du kan faktiskt inte mäta toppintensiteten som du producerar."

Men om experimenten producerar gammastrålar och partikelpar som förutspått, "Detta kommer att vara en validering av att lasertekniken kan nå en så hög intensitet, " han lade till.

Förra året, forskarna från UC San Diego fick ett anslag från U.S. National Science Foundation som gör att de kan samarbeta med ELI-forskare för att utföra dessa experiment. Detta partnerskap är avgörande, Arefiev sa, eftersom det inte finns några anläggningar i USA med tillräckligt kraftfulla lasrar, trots en rapport från 2018 från National Academies of Sciences som varnar för att USA har tappat sitt försprång när det gäller att investera i intensiv ultrasnabb laserteknik.

Arefiev sa att ELI-laseranläggningarna kommer att vara redo att testa sina simuleringar om ett par år. "Detta är anledningen till att vi skrev denna tidning, eftersom lasern fungerar, så vi är inte så långt ifrån att faktiskt göra det här, " sa han. "Med vetenskap, det är det som lockar mig. Se är att tro."