Um estudo teórico e de modelagem computacional recém-publicado sugere que os lasers mais poderosos do mundo podem finalmente quebrar a física indescritível por trás de alguns dos fenômenos mais extremos do universo - rajadas de raios gama, magnetosferas de pulsar, e mais.

A equipe de pesquisa internacional por trás do estudo inclui pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da Comissão de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA-LIDYL) da França. Eles relatam suas descobertas na prestigiosa revista Cartas de revisão física .

A equipe de pesquisa foi liderada por Henri Vincenti do CEA, quem propôs o conceito físico principal. Jean-Luc Vay e Andrew Myers, da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) e Divisão de Pesquisa Computacional do Berkeley Lab, respectivamente, liderou o desenvolvimento do código de simulação utilizado para a pesquisa. (Vincenti trabalhou anteriormente no Berkeley Lab como Marie Curie Research Fellow e continua a ser um afiliado do ATAP e colaborador frequente.) O trabalho teórico e numérico foi liderado por Luca Fedeli da equipe de Vincenti no CEA.

O estudo de modelagem da equipe mostra que os lasers da classe petawatt (PW) - aumentados para intensidades ainda mais altas por meio de interações luz-matéria - podem fornecer uma chave para desvendar os mistérios do regime de campo forte (SF) da eletrodinâmica quântica (QED). Um petawatt é 1 vezes dez elevado à décima quinta potência (isto é, seguido por 15 zeros), ou um quatrilhão de watts. A saída dos lasers mais poderosos de hoje é medida em petawatts.

"Esta é uma demonstração poderosa de como a simulação avançada de sistemas complexos pode permitir novos caminhos para a ciência da descoberta, integrando vários processos físicos - neste caso, a interação do laser com um alvo e a produção subsequente de partículas em um segundo alvo, "disse o Diretor da Divisão ATAP, Cameron Geddes.

Os lasers investigam alguns dos segredos mais zelosamente guardados da natureza

Embora o QED seja a pedra angular da física moderna que resistiu ao rigor dos experimentos ao longo de muitas décadas, sondar SF-QED requer campos eletromagnéticos de uma intensidade muitas ordens de magnitude além das normalmente disponíveis na Terra.

Os pesquisadores tentaram rotas secundárias para SF-QED, como o uso de feixes de partículas poderosos de aceleradores para observar as interações das partículas com os campos fortes que estão naturalmente presentes em alguns cristais alinhados.

Para uma abordagem mais direta, os mais altos campos eletromagnéticos disponíveis em um laboratório são fornecidos por lasers da classe PW. Um laser 10-PW (o mais poderoso do mundo no momento), focado em alguns mícrons, pode atingir intensidades próximas a 10 ²³ watts por centímetro quadrado. Os valores de campo elétrico associados podem ser tão altos quanto 10 ¹⁴ volts por metro. No entanto, estudar SF-QED requer amplitudes de campo ainda maiores do que isso - ordens de magnitude além do que pode ser alcançado com esses lasers.

Para quebrar essa barreira, pesquisadores planejaram recorrer a poderosos feixes de elétrons, acessível em grandes aceleradores ou instalações de laser. Quando um pulso de laser de alta potência colide com um feixe de elétrons relativístico, a amplitude do campo de laser visto pelos elétrons em seu quadro de repouso pode ser aumentada em ordens de magnitude, dando acesso a novos regimes SF-QED.

Embora esses métodos sejam um desafio experimental, como eles exigem a sincronização no espaço e no tempo de um pulso de laser de alta potência e um feixe de elétrons relativístico em escalas de femtossegundo e mícron, alguns desses experimentos foram realizados com sucesso, e vários outros estão planejados em todo o mundo nas instalações de laser da classe PW.

Usando um movimento, espelho de plasma curvo para uma visão direta

A equipe de pesquisa propôs um método complementar:um esquema compacto que pode aumentar diretamente a intensidade dos feixes de laser de alta potência existentes. É baseado em um conhecido conceito de intensificação de luz e em seus estudos teóricos e de modelagem computacional.

O esquema consiste em aumentar a intensidade de um pulso de laser PW com um espelho relativístico de plasma. Tal espelho pode ser formado quando um feixe de laser de intensidade ultra-alta atinge um alvo sólido opticamente polido. Devido à alta amplitude do laser, o alvo sólido está totalmente ionizado, formando um plasma denso que reflete a luz incidente. Ao mesmo tempo, a superfície refletora é realmente movida pelo intenso campo de laser. Como resultado desse movimento, parte do pulso de laser refletido é temporariamente comprimido e convertido em um comprimento de onda mais curto pelo efeito Doppler.

A pressão de radiação do laser dá a este espelho de plasma uma curvatura natural. Isso foca o feixe intensificado por Doppler em pontos muito menores, o que pode levar a ganhos de intensidade extremos - mais de três ordens de magnitude - onde o feixe de laser impulsionado por Doppler é focalizado. As simulações indicam que um alvo secundário neste foco daria assinaturas SF-QED claras em experimentos reais.

Berkeley Lab é parte integrante do esforço científico de equipe internacional

O estudo baseou-se nos diversos recursos científicos do Berkeley Lab, incluindo seu código de simulação WarpX, que foi desenvolvido para modelar aceleradores de partículas avançados sob os auspícios do Projeto de Computação Exascale do Departamento de Energia dos EUA. Os novos recursos do WarpX permitiram a modelagem do aumento de intensidade e a interação do pulso impulsionado com o alvo. Todos os estudos de simulação anteriores só foram capazes de explorar configurações de prova de princípio.

A verificação experimental da metodologia da equipe de pesquisa para sondar SF-QED pode vir do Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA), um laser da classe petawatt com uma taxa de repetição, sem precedentes nesse poder, de um pulso por segundo. Agora em construção está uma segunda linha de luz que também pode contribuir para estudos experimentais de SF-QED por pesquisadores do Berkeley Lab. Um novo laser proposto, kBELLA, poderia permitir futuros estudos de alta taxa trazendo alta intensidade a uma taxa de repetição de quilohertz para a instalação.

A descoberta via WarpX de novos regimes de interação plasma-laser de alta intensidade pode ter benefícios muito além das idéias para explorar SF-QED. Isso inclui a melhor compreensão e design de aceleradores baseados em plasma, como os que estão sendo desenvolvidos na BELLA. Mais compacto e menos caro do que aceleradores convencionais de energia semelhante, eles podem, eventualmente, mudar o jogo em aplicações que vão desde a extensão do alcance da física de alta energia e de fontes de fótons penetrantes para imagens de precisão, para implantar íons em semicondutores, tratando o câncer, desenvolver novos produtos farmacêuticos, e mais.

“É gratificante poder contribuir para a validação de novos, ideias potencialmente muito impactantes por meio do uso de nossos novos algoritmos e códigos, "Vay disse sobre as contribuições da equipe do Berkeley Lab para o estudo." Isso é parte da beleza da ciência da equipe colaborativa. "