O laser mais intenso do mundo está prestes a receber uma atualização de energia com US $ 2 milhões da National Science Foundation.

Com mais energia de laser para se concentrar, pesquisadores da Universidade de Michigan e colaboradores de todo o mundo podem fazer melhores dispositivos de mesa que produzem partículas e feixes de raios-X para aplicações médicas e de segurança nacional - e também explorar mistérios na astrofísica e no reino quântico.

A potência do laser HERCULES vem de uma série de cinco lasers "bomba" incorporados que amplificam pulsos ultracurtos de luz. Para atualizar a potência do HERCULES de 300 trilhões de watts, ou terawatts (TW), para 500 ou mesmo 1, 000 TW, os pesquisadores substituirão os três últimos desses lasers de bomba.

Se HERCULES pode atingir 1, 000 TW, estaria mais uma vez entre os lasers mais poderosos dos EUA. Independentemente disso, o aumento na potência aumentará a aposta em seu recorde de intensidade - atualmente 20 sextilhão (2x1022) watts por centímetro quadrado. O HERCULES melhorado deve ser capaz de dobrar ou mesmo triplicar essa intensidade.

Uma década atrás, quando os engenheiros de Michigan construíram o HERCULES pela primeira vez, os lasers de bomba comercial em que o sistema depende não conseguiram atingir os ambiciosos 300 TW - recorde na época - que os pesquisadores tinham em mente. Eles tiveram que construir seus próprios lasers de bomba. Agora, impulsionado por uma demanda de projetos internacionais que buscam níveis de energia ao norte de 10, 000 TW, lasers de bomba comerciais podem superar as versões caseiras que funcionam no HERCULES hoje. Esta nova tecnologia é o que levará HERCULES a uma potência e intensidade maiores do que nunca.

"Esta atualização permite uma ampla variedade de experimentos diferentes, "disse Karl Krushelnick, Professor U-M de engenharia nuclear e ciência radiológica e diretor do Center for Ultrafast Optical Science, que abriga HERCULES. "Existem aplicações interessantes, e também abre um novo regime na própria fronteira da física do plasma, onde os fenômenos quânticos começam a desempenhar um papel importante. "

Isso é o que os pesquisadores devem esperar:

• Aceleradores de mesa:os aceleradores de partículas convencionais costumam ter centenas de metros de comprimento, mas a luz laser pode acelerar a aceleração de partículas e produzir outros feixes de alta energia, como os raios X, em apenas alguns metros quadrados ou menos. No futuro, aceleradores de partículas movidos a laser podem ajudar a revelar novas físicas ou conduzir lasers ultracompactos de raios-X. Feixes de partículas e raios-X também podem ser usados ​​para determinar a presença de materiais nucleares em contêineres que chegam aos portos. Eles são usados ​​para tratamentos médicos, como radioterapia.
• Raios-X que diferenciam os tecidos moles:feixes de raios-X de alta energia emitidos por aceleradores de laser podem permitir imagens avançadas de raios-X que podem encontrar os limites entre os tecidos moles - em oposição aos raios-X convencionais, que são os melhores na seleção de materiais densos como o osso. Quando os raios X de um acelerador de laser viajam através de materiais diferentes, suas ondas ficam fora de sincronia em diferentes graus, e isso pode distinguir entre um pulmão e um coração, por exemplo. Este método de medição seria mais barato e ofereceria resultados mais rápidos do que uma ressonância magnética.
• Explosões de raios gama - mistérios astrofísicos:como as explosões de radiação eletromagnética poderosa, que não duram mais do que alguns segundos, são produzidas no espaço? Uma teoria afirma que campos magnéticos muito fortes, perto de buracos negros, por exemplo, pode estar se desfazendo. Quando as linhas do campo magnético se unem, elas podem acelerar as partículas que liberam essas poderosas explosões de energia eletromagnética na forma de raios gama. Ao usar o laser HERCULES no laboratório, a equipe pode criar campos magnéticos fortes em escalas microscópicas que podem se separar e se reconectar da mesma maneira, lançando luz sobre se este é realmente o mecanismo por trás das explosões de raios gama.
• Questões em eletrodinâmica quântica de campo forte:Eletrodinâmica quântica - a descrição quântica da luz e suas interações com a matéria - não foi testada adequadamente em algumas situações extremas. Por exemplo, quando os campos elétricos são fortes o suficiente, o fenômeno de "ferver o vácuo" está previsto ocorrer:matéria e antimatéria podem surgir espontaneamente do nada. Campos elétricos tão fortes podem ser encontrados em atmosferas de estrelas de nêutrons, por exemplo. O laser HERCULES atualizado pode simular esses ambientes, acelerando os elétrons até quase a velocidade da luz, de modo que - do ponto de vista dos elétrons - os campos são fortes o suficiente para gerar partículas do vácuo. Ao observar como os elétrons se comportam, os pesquisadores podem deduzir se as previsões da eletrodinâmica quântica são precisas.

Krushelnick prevê que as capacidades expandidas do HERCULES permitirão aos pesquisadores da U-M que se especializam nessas áreas fazer experimentos que antes eram impossíveis. Além disso, HERCULES capacita experimentos para pesquisadores nos EUA e no exterior, portanto, a atualização o tornará mais valioso como recurso científico nacional.