På European XFEL i Schenefeld nära Hamburg, forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sätter upp Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF). För det här syftet, forskarna från Dresden installerar två högeffektslasrar vid HED-stationen (High Energy Density). Kredit:European XFEL / Jan Hosan
I rymdens djup, det finns himlakroppar där extrema förhållanden råder:Snabbt roterande neutronstjärnor genererar superstarka magnetfält. Och svarta hål, med sin enorma gravitationskraft, kan orsaka enorma, energiska strålar av materia att skjuta ut i rymden. Ett internationellt fysikteam med deltagande av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu föreslagit ett nytt koncept som skulle kunna göra det möjligt för några av dessa extrema processer att studeras i laboratoriet i framtiden:En speciell uppsättning av två högintensiva processer laserstrålar kan skapa förhållanden liknande de som finns nära neutronstjärnor. I den upptäckta processen, en antimateriajet genereras och accelereras mycket effektivt. Experterna presenterar sitt koncept i tidskriften Kommunikationsfysik
Grunden för det nya konceptet är ett litet plastblock, genomkorsas av mikrometerfina kanaler. Den fungerar som ett mål för två lasrar. Dessa avfyrar samtidigt ultrastarka pulser mot blocket, en från höger, den andra från vänster – blocket är bokstavligen taget av lasertång. "När laserpulserna penetrerar provet, var och en av dem accelererar ett moln av extremt snabba elektroner, " förklarar HZDR-fysikern Toma Toncian. "Dessa två elektronmoln rasar sedan mot varandra med full kraft, interagerar med lasern som fortplantar sig i motsatt riktning." Följande kollision är så våldsam att den producerar ett extremt stort antal gammakvanta - lätta partiklar med en energi som är ännu högre än röntgenstrålar.
Svärmen av gammakvanta är så tät att ljuspartiklarna oundvikligen kolliderar med varandra. Och så händer något galet:Enligt Einsteins berömda formel E=mc 2 , ljusenergi kan omvandlas till materia. I detta fall, främst elektron-positronpar bör skapas. Positroner är antipartiklar av elektroner. Det som gör denna process speciell är att "mycket starka magnetfält åtföljer den, " beskriver projektledaren Alexey Arefiev, en fysiker vid University of California i San Diego. "Dessa magnetfält kan fokusera positronerna till en stråle och accelerera dem kraftigt." I siffror:Över ett avstånd på bara 50 mikrometer, partiklarna ska nå en energi på en gigaelektronvolt (GeV) - en storlek som vanligtvis kräver en fullvuxen partikelaccelerator.
Bilderna visar hur densiteten hos plasmat (visas här i svartvitt) utvecklas över tiden under bestrålning med två motförökande högintensiva laserpulser. Den högenergistrålning som produceras under denna process markeras i färg som gammafotondensitet. Dessa fotoner är så nära varandra från det att de två lasrarna kolliderade att de kan kollidera för att skapa materia-antimateria-par. Kredit:Toma Toncian
Framgångsrik datorsimulering
För att se om den ovanliga idén kunde fungera, teamet testade det i en komplicerad datorsimulering. Resultaten är uppmuntrande; i princip, konceptet bör vara genomförbart. "Jag blev förvånad över att positronerna som skapades i slutändan formades till en högenergi och buntad stråle i simuleringen, säger Arefiev glatt. Dessutom den nya metoden borde vara mycket effektivare än tidigare idéer, där endast en enda laserpuls avfyras mot ett individuellt mål:Enligt simuleringen, "laser double strike" bör kunna generera upp till 100, 000 gånger fler positroner än enkelbehandlingskonceptet.
"Också, i vårat fall, lasrarna skulle inte behöva vara lika kraftfulla som i andra koncept, Toncian förklarar. "Detta skulle förmodligen göra idén lättare att omsätta i praktiken." det finns bara ett fåtal platser i världen där metoden skulle kunna implementeras. Den mest lämpliga skulle vara ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics), en unik laseranläggning i Rumänien, till stor del finansierat av Europeiska unionen. Den har två extremt kraftfulla lasrar som kan skjuta samtidigt mot ett mål – det grundläggande kravet för den nya metoden.
Första testerna i Hamburg
Viktiga preliminära tester, dock, kan äga rum i Hamburg i förväg:European XFEL, den mest kraftfulla röntgenlasern i världen, ligger där. HZDR spelar en stor roll i denna storskaliga anläggning:den leder ett användarkonsortium som heter HIBEF, som har riktat in sig på materia i extrema tillstånd under en tid. "På HIBEF, kollegor från HZDR, tillsammans med Helmholtz-institutet i Jena, utvecklar en plattform som kan användas för att experimentellt testa om magnetfälten faktiskt bildas som våra simuleringar förutsäger, " förklarar Toma Toncian. "Detta borde vara lätt att analysera med de kraftfulla röntgenblixtar från den europeiska XFEL."
För astrofysik såväl som kärnfysik, den nya tekniken kan vara oerhört användbar. Trots allt, vissa extrema processer i rymden kommer sannolikt också att producera stora mängder gammakvanta, som sedan snabbt materialiseras igen till högenergipar. "Sådana processer kommer sannolikt att äga rum, bland andra, i magnetosfären av pulsarer, det vill säga snabbt roterande neutronstjärnor, " säger Alexey Arefiev. "Med vårt nya koncept, sådana fenomen kan simuleras i laboratoriet, åtminstone till viss del, vilket skulle göra det möjligt för oss att förstå dem bättre."
