El pulso láser (naranja) se propaga en el eje horizontal, en perpendicular a la lámina (iones en gris, positrones en rojo). Fuente: IAP RAS.
Los espectaculares avances en las tecnologías de láser están permitiendo nuevos estudios que exploran la interacción láser-materia a una intensidad ultraalta. Concentrando pulsos de láser de alta potencia, se producen de forma rutinaria campos eléctricos (de órdenes de magnitud mayores que los encontrados dentro de los átomos) y pronto podrán ser lo suficientemente intensos como para crear materia y antimateria mediante láseres.
Intrigantes cálculos de un equipo de investigación del Instituto de Física Aplicada de la Academia Rusa de Ciencias (IAP RAS), publicados esta semana en Physics of Plasmas, de AIP Publishing (la editoria del Instituto Americano de Físicas), explican la producción y la dinámica de los electrones y positrones procedentes de interacciones láser-materia de ultraalta intensidad. En otras palabras: Han calculado cómo crear materia y antimateria mediante rayos láser.
Los campos eléctricos intensos hacen que los electrones sufran enormes pérdidas por radiación debido a que una cantidad significativa de su energía se convierte en rayos gamma: fotones de alta energía, que son las partículas que componen la luz. Los fotones de alta energía producidos por este proceso interactúan con el campo de láser fuerte y crean pares electrón-positrón.
Como resultado, explica la nota de prensa del AIP, emerge un nuevo estado de la materia: partículas que interactúan fuertemente, campos ópticos, y radiación gamma, cuyas dinámicas se rigen por la interacción entre los fenómenos de la física clásica 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 fuerte campo eléctrico puede, en términos generales, hervir el vacío, que está lleno de partículas virtuales, como los pares electrón-positrón", explica Igor Kostyukov, del instituto ruso. "El campo puede convertir estos tipos de partículas, desde un estado virtual, en el que las partículas no son directamente observables, hasta uno real."
Una impresionante manifestación de este tipo de fenómeno es una cascada QED guiada por láser y auto-sostenida, que todavía no se ha observado en un laboratorio. Pero, ¿qué es una cascada QED?, pregunta la nota.
"Piense en ello como una reacción en cadena en la que cada eslabón de la cadena consiste en procesos secuenciales", dice Kostyukov. "Comienza con la aceleración de los electrones y positrones dentro del campo láser. Esto es seguido por una emisión de fotones de alta energía por parte de los electrones y positrones acelerados. Entonces, la descomposición de los fotones de alta energía produce pares electrón-positrón, que producen nuevas generaciones de partículas en cascada".
Intrigantes cálculos de un equipo de investigación del Instituto de Física Aplicada de la Academia Rusa de Ciencias (IAP RAS), publicados esta semana en Physics of Plasmas, de AIP Publishing (la editoria del Instituto Americano de Físicas), explican la producción y la dinámica de los electrones y positrones procedentes de interacciones láser-materia de ultraalta intensidad. En otras palabras: Han calculado cómo crear materia y antimateria mediante rayos láser.
Los campos eléctricos intensos hacen que los electrones sufran enormes pérdidas por radiación debido a que una cantidad significativa de su energía se convierte en rayos gamma: fotones de alta energía, que son las partículas que componen la luz. Los fotones de alta energía producidos por este proceso interactúan con el campo de láser fuerte y crean pares electrón-positrón.
Como resultado, explica la nota de prensa del AIP, emerge un nuevo estado de la materia: partículas que interactúan fuertemente, campos ópticos, y radiación gamma, cuyas dinámicas se rigen por la interacción entre los fenómenos de la física clásica 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 fuerte campo eléctrico puede, en términos generales, hervir el vacío, que está lleno de partículas virtuales, como los pares electrón-positrón", explica Igor Kostyukov, del instituto ruso. "El campo puede convertir estos tipos de partículas, desde un estado virtual, en el que las partículas no son directamente observables, hasta uno real."
Una impresionante manifestación de este tipo de fenómeno es una cascada QED guiada por láser y auto-sostenida, que todavía no se ha observado en un laboratorio. Pero, ¿qué es una cascada QED?, pregunta la nota.
"Piense en ello como una reacción en cadena en la que cada eslabón de la cadena consiste en procesos secuenciales", dice Kostyukov. "Comienza con la aceleración de los electrones y positrones dentro del campo láser. Esto es seguido por una emisión de fotones de alta energía por parte de los electrones y positrones acelerados. Entonces, la descomposición de los fotones de alta energía produce pares electrón-positrón, que producen nuevas generaciones de partículas en cascada".
Imagen: PeteLinforth. Fuente: Pixabay.
El experimento
Para este trabajo, los investigadores exploraron la interacción de un pulso de láser muy intenso con una lámina mediante simulaciones numéricas.
"Esperábamos producir un gran número de fotones de alta energía, y que una parte de ellos decaería y produciría pares electrón-positrón", continúa Kostyukov. "Nuestra primera sorpresa fue que el número de fotones de alta energía producidos por los positrones es mucho mayor que el producido por los electrones de la lámina. Eso condujo a un crecimiento exponencial del número de positrones, lo que significa que si se detecta un mayor número de positrones en un experimento se puede concluir que la mayoría de ellos se han generado en una cascada QED".
También pudieron observar en las simulaciones una estructura distintiva en la distribución de positrones, a pesar de cierta aleatoriedad de los procesos de emisión de fotones y su descomposición.
"Al analizar el movimiento de los positrones en los campos electromagnéticos que hay delante de la lámina, descubrimos que algunas características del movimiento regulan la distribución de positrones y llevan a estructuras helicoidales similares a las observadas en las simulaciones", añade.
Los descubrimientos del equipo son de una importancia fundamental, porque el fenómeno que han explorado puede acompañar a la interacción láser-materia a intensidades extremas dentro de una gama más amplia de parámetros. "Ofrece nuevos conocimientos sobre las propiedades de estos tipos de interacciones," dice Kostyukov. "Las aplicaciones más prácticas pueden incluir el desarrollo de ideas avanzadas para las fuentes láser-plasma de fotones y positrones de alta energía cuyo brillo supera considerablemente el de las fuentes modernas."
Hasta ahora, los investigadores se han centrado en la etapa inicial de la interacción, en la que los pares electrón-positrón que producen no afectan de manera significativa a la interacción láser-objetivo.
"Ahora, estamos explorando el escenario no lineal, en el que el plasma de electrones-positrones autogenerado modifica fuertemente la interacción", dice. "Y también vamos a tratar de ampliar nuestros resultados con configuraciones más generales de las interacciones láser-materia y otros regímenes de interacciones, considerando una gama más amplia de parámetros."
Para este trabajo, los investigadores exploraron la interacción de un pulso de láser muy intenso con una lámina mediante simulaciones numéricas.
"Esperábamos producir un gran número de fotones de alta energía, y que una parte de ellos decaería y produciría pares electrón-positrón", continúa Kostyukov. "Nuestra primera sorpresa fue que el número de fotones de alta energía producidos por los positrones es mucho mayor que el producido por los electrones de la lámina. Eso condujo a un crecimiento exponencial del número de positrones, lo que significa que si se detecta un mayor número de positrones en un experimento se puede concluir que la mayoría de ellos se han generado en una cascada QED".
También pudieron observar en las simulaciones una estructura distintiva en la distribución de positrones, a pesar de cierta aleatoriedad de los procesos de emisión de fotones y su descomposición.
"Al analizar el movimiento de los positrones en los campos electromagnéticos que hay delante de la lámina, descubrimos que algunas características del movimiento regulan la distribución de positrones y llevan a estructuras helicoidales similares a las observadas en las simulaciones", añade.
Los descubrimientos del equipo son de una importancia fundamental, porque el fenómeno que han explorado puede acompañar a la interacción láser-materia a intensidades extremas dentro de una gama más amplia de parámetros. "Ofrece nuevos conocimientos sobre las propiedades de estos tipos de interacciones," dice Kostyukov. "Las aplicaciones más prácticas pueden incluir el desarrollo de ideas avanzadas para las fuentes láser-plasma de fotones y positrones de alta energía cuyo brillo supera considerablemente el de las fuentes modernas."
Hasta ahora, los investigadores se han centrado en la etapa inicial de la interacción, en la que los pares electrón-positrón que producen no afectan de manera significativa a la interacción láser-objetivo.
"Ahora, estamos explorando el escenario no lineal, en el que el plasma de electrones-positrones autogenerado modifica fuertemente la interacción", dice. "Y también vamos a tratar de ampliar nuestros resultados con configuraciones más generales de las interacciones láser-materia y otros regímenes de interacciones, considerando una gama más amplia de parámetros."
Referencia bibliográfica:
Yu. Kostyukov and E. N. Nerush: Production and dynamics of positrons in ultrahigh intensity laser-foil interactions. Physics of Plasmas (2016). DOI: 10.1063/1.4962567.
Yu. Kostyukov and E. N. Nerush: Production and dynamics of positrons in ultrahigh intensity laser-foil interactions. Physics of Plasmas (2016). DOI: 10.1063/1.4962567.