En nyligen publicerad teoretisk och datormodelleringsstudie tyder på att världens mest kraftfulla lasrar äntligen kan knäcka den svårfångade fysiken bakom några av de mest extrema fenomenen i universum - gammastrålningsutbrott, pulsar magnetosfärer, och mer.

I det internationella forskarteamet bakom studien ingår forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Frankrikes Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA-LIDYL). De rapporterar sina resultat i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Forskargruppen leddes av CEA:s Henri Vincenti, som föreslog det huvudsakliga fysiska konceptet. Jean-Luc Vay och Andrew Myers, av Berkeley Labs Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) division och Computational Research Division, respektive, lett utvecklingen av den simuleringskod som används för forskningen. (Vincenti har tidigare arbetat på Berkeley Lab som Marie Curie-forskare och är fortfarande en ATAP-filial och frekvent samarbetspartner.) Det teoretiska och numeriska arbetet leddes av Luca Fedeli från Vincentis team vid CEA.

Teamets modelleringsstudie visar att petawatt-lasrar (PW)-klassade - saftade till ännu högre intensiteter via ljus-materia-interaktioner - kan ge en nyckel för att låsa upp mysterierna med starkfältsregimen (SF) för kvantelektrodynamiken (QED). En petawatt är 1 gånger tio till femtonde potensen (det vill säga följt av 15 nollor), eller en kvadrillion watt. Effekten av dagens mest kraftfulla lasrar mäts i petawatt.

"Detta är en kraftfull demonstration av hur avancerad simulering av komplexa system kan möjliggöra nya vägar för upptäcktsvetenskap genom att integrera flera fysikprocesser - i det här fallet, laserinteraktionen med ett mål och efterföljande produktion av partiklar i ett andra mål, " sa ATAP-divisionschefen Cameron Geddes.

Lasrar undersöker några av naturens mest svartsjukt bevakade hemligheter

Medan QED är en hörnsten i modern fysik som har motstått experimentets stränghet under många decennier, att sondera SF-QED kräver elektromagnetiska fält av en intensitet som är många storleksordningar utöver de som normalt finns på jorden.

Forskare har provat sidovägar till SF-QED, som att använda kraftfulla partikelstrålar från acceleratorer för att observera partikelinteraktioner med de starka fält som finns naturligt i vissa inriktade kristaller.

För ett mer direkt tillvägagångssätt, de högsta elektromagnetiska fälten som finns tillgängliga i ett laboratorium levereras av PW-klasslasrar. En 10-PW laser (världens mest kraftfulla vid denna tidpunkt), fokuserad ner till några mikron, kan nå intensiteter nära 10 ²³ watt per kvadratcentimeter. De associerade elektriska fältvärdena kan vara så höga som 10 ¹⁴ volt per meter. Men att studera SF-QED kräver ännu högre fältamplituder än så - storleksordningar utöver vad som kan uppnås med dessa lasrar.

För att bryta denna barriär, forskare har planerat att använda kraftfulla elektronstrålar, tillgänglig vid stora accelerator- eller laseranläggningar. När en högeffektlaserpuls kolliderar med en relativistisk elektronstråle, laserfältsamplituden som ses av elektroner i deras viloram kan ökas i storleksordningar, ge tillgång till nya SF-QED-regimer.

Även om sådana metoder är utmanande experimentellt, eftersom de kräver synkronisering i rum och tid av en laserpuls med hög effekt och en relativistisk elektronstråle på femtosekund- och mikronskala, några sådana experiment har genomförts framgångsrikt, och flera fler planeras runt om i världen vid laseranläggningar av PW-klass.

Med hjälp av en rörlig, böjd plasmaspegel för en direkt look

Forskargruppen föreslog en kompletterande metod:ett kompakt schema som direkt kan öka intensiteten hos befintliga laserstrålar med hög effekt. Den är baserad på ett välkänt koncept för ljusförstärkning och på deras teoretiska och datormodelleringsstudier.

Schemat består av att öka intensiteten hos en PW-laserpuls med en relativistisk plasmaspegel. En sådan spegel kan bildas när en laserstråle med ultrahög intensitet träffar ett optiskt polerat fast mål. På grund av den höga laseramplituden, det fasta målet är helt joniserat, bildar en tät plasma som reflekterar det infallande ljuset. Samtidigt förflyttas faktiskt den reflekterande ytan av det intensiva laserfältet. Som ett resultat av den motionen, en del av den reflekterade laserpulsen komprimeras temporärt och omvandlas till en kortare våglängd av dopplereffekten.

Strålningstrycket från lasern ger denna plasmaspegel en naturlig krökning. Detta fokuserar den Doppler-förstärkta strålen till mycket mindre punkter, vilket kan leda till extrema intensitetsökningar – mer än tre storleksordningar – där den Doppler-förstärkta laserstrålen fokuseras. Simuleringarna indikerar att ett sekundärt mål vid detta fokus skulle ge tydliga SF-QED-signaturer i faktiska experiment.

Berkeley Lab är en integrerad del av den internationella teamvetenskapliga insatsen

Studien byggde på Berkeley Labs olika vetenskapliga resurser, inklusive dess WarpX-simuleringskod, som utvecklades för att modellera avancerade partikelacceleratorer under överinseende av U.S. Department of Energys Exascale Computing Project. De nya funktionerna hos WarpX möjliggjorde modellering av intensitetsförstärkningen och interaktionen av den förstärkta pulsen med målet. Alla tidigare simuleringsstudier hade bara kunnat utforska proof-of-principle-konfigurationer.

Experimentell verifiering av forskargruppens metod för att sondera SF-QED kan komma från Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), en petawatt-klasslaser med en upprepningshastighet, oöverträffad vid den makten, en puls per sekund. Nu under uppbyggnad är en andra strållinje som också kan bidra till experimentella studier av SF-QED av forskare från Berkeley Lab. En föreslagen ny laser, kBELLA, skulle kunna möjliggöra framtida höghastighetsstudier genom att tillföra hög intensitet vid en kilohertz-repetitionshastighet till anläggningen.

Upptäckten via WarpX av nya högintensiva laser-plasma-interaktionsregimer kan ha fördelar långt utöver idéer för att utforska SF-QED. Dessa inkluderar bättre förståelse och design av plasmabaserade acceleratorer som de som utvecklas på BELLA. Mer kompakt och billigare än konventionella acceleratorer med liknande energi, de kan så småningom bli spelväxlare i tillämpningar som sträcker sig från att utöka räckvidden för högenergifysik och penetrerande fotonkällor för precisionsavbildning, att implantera joner i halvledare, behandla cancer, utveckla nya läkemedel, och mer.

"Det är glädjande att kunna bidra till validering av nya, potentiellt mycket effektfulla idéer genom användningen av våra nya algoritmer och koder, " Vay sa om Berkeley Lab-teamets bidrag till studien. "Detta är en del av skönheten med kollaborativ teamvetenskap."