En lovande metod för att producera och observera en process som är viktig för svarta hål på jorden, supernovaexplosioner och andra extrema kosmiska händelser har föreslagits av forskare vid Princeton Universitys institution för astrofysiska vetenskaper, SLAC National Acceleraor Laboratory, och US Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Processen, kallade kvantelektrodynamiska (QED) kaskader, kan leda till supernovor – exploderande stjärnor – och snabba radioskurar som i millisekunder motsvarar den energi som solen släpper ut på tre dagar.

Första demonstrationen

Forskarna producerade den första teoretiska demonstrationen att en kolliderande av en laboratorielaser med en tät elektronstråle kan producera QED-kaskader med hög densitet. "Vi visar att det som ansågs vara omöjligt faktiskt är möjligt, sa Kenan Qu, huvudförfattare till en uppsats i Physical Review Letters (PRL) som beskriver genombrottsdemonstrationen. "Det tyder i sin tur på hur tidigare oobserverade kollektiva effekter kan undersökas med befintliga toppmoderna laser- och elektronstråleteknologier."

Processen utvecklas på ett enkelt sätt. Att kollidera med en stark laserpuls med en högenergielektronstråle delar upp ett vakuum i högdensitetselektron-positronpar som börjar interagera med varandra. Denna interaktion skapar vad som kallas kollektiva plasmaeffekter som påverkar hur paren reagerar kollektivt på elektriska eller magnetiska fält.

Plasma, den heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor, utgör 99 procent av det synliga universum. Plasma ger bränsle till fusionsreaktioner som driver solen och stjärnorna, en process som PPPL och forskare runt om i världen försöker utveckla på jorden. Plasmaprocesser i hela universum påverkas starkt av elektromagnetiska fält.

PRL-dokumentet fokuserar på laserns elektromagnetiska styrka och energin hos elektronstrålen som teorin sammanför för att skapa QED-kaskader. "Vi försöker simulera de förhållanden som skapar elektron-positronpar med tillräcklig densitet att de producerar mätbara kollektiva effekter och se hur man entydigt kan verifiera dessa effekter, " sa Qu.

Uppgifterna krävde att avslöja signaturen för framgångsrik plasmaskapande genom en QED-process. Forskare fann signaturen i skiftet av en måttligt intensiv laser till en högre frekvens orsakad av förslaget att skicka lasern mot en elektronstråle. "Det fyndet löser det gemensamma problemet med att producera QED-plasmaregimen enklast och observera den enklast, "Qu sade." Mängden av skiftet varierar beroende på plasmatätheten och parens energi. "

Utöver nuvarande kapacitet

Teori visade tidigare att tillräckligt starka lasrar eller elektriska eller magnetiska fält kunde skapa QED-par. Men de erforderliga magnituderna är så höga att de överstiger nuvarande laboratoriekapacitet.

Dock, "Det visar sig att nuvarande teknologi i lasrar och relativistiska strålar [som färdas nära ljusets hastighet] om de är samlokaliserade, är tillräckligt för att komma åt och följa denna regim, " sa fysiker Nat Fisch, professor i astrofysiska vetenskaper och docent för akademiska frågor vid PPPL, och en medförfattare till PRL-dokumentet och huvudutredare för projektet. "En viktig punkt är att använda lasern för att bromsa paren så att deras massa minskar, vilket ökar deras bidrag till plasmafrekvensen och gör de kollektiva plasmaeffekterna större, Fisch sa. "Att samlokalisera nuvarande teknologier är mycket billigare än att bygga superintensiva lasrar, " han sa.

Detta arbete finansierades av anslag från National Nuclear Security Administration och Air Force Office of Scientific Research. Forskare rustar sig nu för att testa de teoretiska resultaten vid SLAC vid Stanford University, där en måttligt stark laser utvecklas och källan till elektronstrålar redan finns där. Fysikern Sebastian Meuren, en medförfattare till tidningen och en före detta postdoktor vid PPPL som nu är på SLAC, är centralt involverad i detta arbete.

"Som de flesta grundläggande fysik är denna forskning för att tillfredsställa vår nyfikenhet om universum, " sa Qu. "För det allmänna samhället, en stor inverkan är att vi kan spara miljarder dollar i skatteintäkter om teorin kan valideras. "