Los avances dramáticos en las tecnologías láser están permitiendo que los estudios novedosos exploren las interacciones láser-materia a una intensidad ultra alta. Al enfocar pulsos láser de alta potencia, los campos eléctricos de órdenes de magnitud mayores que los encontrados dentro de los átomos se producen de manera rutinaria y pronto pueden ser lo suficientementeintenso para crear materia a partir de la luz.
Ahora, cálculos intrigantes de un equipo de investigación en el Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia IAP RAS, e informaron esta semana en Física de plasma , de AIP Publishing, explique la producción y dinámica de electrones y positrones a partir de interacciones de materia láser de ultra alta intensidad. En otras palabras: han calculado cómo crear materia y antimateria mediante láser.
Los campos eléctricos fuertes hacen que los electrones sufran enormes pérdidas de radiación porque una cantidad significativa de su energía se convierte en rayos gamma: fotones de alta energía, que son las partículas que forman la luz. Los fotones de alta energía producidos por este proceso interactúancon el fuerte campo láser y crear pares electrón-positrón. Como resultado, emerge un nuevo estado de la materia: partículas fuertemente interactuantes, campos ópticos y radiación gamma, cuya dinámica se rige por la interacción entre los fenómenos físicos clásicos y los procesos cuánticos.
Un concepto clave detrás del trabajo del equipo se basa en la predicción de la electrodinámica cuántica QED de que "un campo eléctrico fuerte puede, en términos generales, 'hervir el vacío', que está lleno de 'partículas virtuales', como el electrón-positrónpares ", explicó Igor Kostyukov de IAP RAS." El campo puede convertir este tipo de partículas de un estado virtual, en el que las partículas no son directamente observables, a uno real ".
Una manifestación impresionante de este tipo de fenómeno QED es una cascada QED autosuficiente impulsada por láser, que es un gran desafío aún por observar en un laboratorio.
Pero, ¿qué es una cascada QED?
"Piense en ello como una reacción en cadena en la que cada eslabón de la cadena consiste en procesos secuenciales", dijo Kostyukov. "Comienza con la aceleración de electrones y positrones dentro del campo láser. Esto es seguido por la emisión de fotones de alta energía por elelectrones y positrones acelerados. Luego, la descomposición de los fotones de alta energía produce pares de electrones-positrones, que pasan a las nuevas generaciones de partículas en cascada. Una cascada QED conduce a una producción similar a una avalancha de plasmas de fotones de alta energía de electrones positrones."
Para este trabajo, los investigadores exploraron la interacción de un pulso láser muy intenso con una lámina a través de simulaciones numéricas.
"Esperábamos producir una gran cantidad de fotones de alta energía, y que una parte de ellos se descompondría y produciría pares de electrones-positrones", continuó Kostyukov. "Nuestra primera sorpresa fue que la cantidad de fotones de alta energía producidos porlos positrones son mucho mayores que los producidos por los electrones de la lámina, lo que condujo a un crecimiento exponencial, muy agudo, del número de positrones, lo que significa que si detectamos un mayor número de positrones en un experimento correspondiente, podemosconcluir que la mayoría de ellos se generan en una cascada QED "
También pudieron observar una estructura distinta de la distribución de positrones en las simulaciones, a pesar de cierta aleatoriedad de los procesos de emisión y descomposición de fotones.
"Al analizar analíticamente el movimiento de positrones en los campos electromagnéticos frente a la lámina, descubrimos que algunas características del movimiento regulan la distribución de positrones y conducen a estructuras helicoidales que se observan en las simulaciones", agregó.
Los descubrimientos del equipo son de importancia fundamental porque el fenómeno que exploraron puede acompañar la interacción láser-materia a intensidades extremas dentro de un rango más amplio de parámetros. "Ofrece nuevas ideas sobre las propiedades de este tipo de interacciones", dijo Kostyukov ".Las aplicaciones más prácticas pueden incluir el desarrollo de ideas avanzadas para las fuentes de plasma láser de fotones y positrones de alta energía cuyo brillo excede significativamente el de las fuentes modernas ".
Hasta ahora, los investigadores se han centrado en la etapa inicial de interacción cuando los pares electrón-positrón que produjeron no afectan significativamente la interacción láser-objetivo.
"A continuación, estamos explorando la etapa no lineal cuando el plasma de electrones-positrones autogenerado modifica fuertemente la interacción", dijo. "Y también intentaremos expandir nuestros resultados a configuraciones más generales de la materia láserinteracciones y otros regímenes de interacciones, teniendo en cuenta una gama más amplia de parámetros "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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