miercuri, iulie 24, 2024

Cum poate fi transformata lumina in materie. Posibilitati si perspective ale laserului ELI-NP de la Magurele

De curand o comisie internationala „ISAB (International Scientific Advisory Board) ELI-RO” a analizat rezultatele unor proiecte propuse a fi realizate la ELI-NP. Cu aceasta ocazie au fost prezentate si rezultatele unui proiect de cercetare care urmareste procesele de interactie ale vacuumului cuantic, mai exact ale vacuumului de Electrodinamica Cuantica (QED), cu campurile laser intense. Sunt asa-numitele procese SFQED (Strong Field Quantum ElectroDynamics) ca unele dintre cele mai interesante procese QED legate de fluctuatiile locale ale vacuum cuantic. Acestea sunt o expresie a principiului fundamental al Mecanicii Cuantice – principiul de incertitudine Heisenberg.

In conditii normale, vacuumul QED, datorita fluctuatiilor cuantice, se afla intr-o permanenta „fierbere”, cu producere si anihilare locala de perechi virtuale electron – pozitron.

Conform principiului Heisenberg, local si pe intervale scurte de timp Δt, au loc fluctuatii de energie Δε, astfel incat produsul lor sa nu fie mai mic decat constanta Planck ħ = 1.05×10-34J ∙ s

Avem deci o fluctuatie de energie Δε, care permite producerea de perechi electron – pozitron, pe baza relatiei ε = mc2. Adica, local, pe o distanta Δx de marimea lungimii de unda Compton a electronului, se pot produce perechi electron – pozitron, care traiesc in medie un timp Δt, de ordinul 10-22 s, dupa care se anihileaza reciproc.

Daca se aplica un camp electrostatic puternic, acesta actioneaza asupra celor doua sarcini, efectuand un lucru mecanic suficient ca sa departeze electronul si pozitronul, astfel incat acestea sa nu se mai anihileze. Energia minima furnizata de campul electric pentru a departa cele doua particule este cea necesara crearii maselor celor doi electroni Δε = 2 me c2. In acest fel, perechile virtuale electron – pozitron sunt transformate in perechi reale, care apoi se pot urmari pe distante mari, pentru a ajunge sa fie detectate. Marimea minima a campului electric E ce asigura extragerea perechilor electron – pozitron din vacuum, asa-numitul prag Schwinger, este Ecr = 1.323 × 1018 V/m, valoare atat de mare incat practic nu a putut fi obtinuta niciodata in laborator.

Pe de alta parte, in conditiile actiunii coerente a unor unde electromagnetice laser de intensitate inalta, asemenea valori medii ridicate ale componentelor electrica si magnetica pot ajunge aproape de valoarea critica Schwinger. Aceasta are loc cu atat mai usor cu cat puterea laserului este mai mare.

Atunci, prin actiunea sinergica a unui camp electric static (mai slab insa ca valoarea critica, pentru care lucrul mecanic qEℓ < 2mc2) impreuna cu un camp oscilator electromagnetic (mai slab insa pentru a produce extragerea perechii din vacuum, pentru care energia transmisa  ℏω < 2mc2) se poate asigura ruperea vacuumului (vacuum break-down) si crearea de perechi electron – pozitron.

De-a lungul timpului, procesele de interactie QED au fost si sunt inca in atentia celor mai importante centre de cercetare din lume. Cele mai multe din aceste procese, fie prin abordarea teoretica, fie prin cea experimentala au fost incununate cu premiul Nobel (vezi Figura 1). Un singur proces a ramas fara o asemenea incoronare: procesul Breit-Wheeler de interactie foton – foton cu producerea unei perechi electron – pozitron.

Oliver Pike de la Imperial Colege, London, in 2014 a sperat ca echipa sa va reusi sa demonstreze experimental conversia luminii in materie, vezi O. J. Pike, F. Mackenroth, E. G. Hill and S. J Rose, “A photon-photon collider in a vacuum hohlraum”, Nature Photonics 8, 434-436 (2014) http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2014.95 , dar s-a dovedit ca inca nu a venit randul unui asemenea succes.

Figura 1. Diagramele interactiunilor QED lumina – materie de-a lungul timpului. Producerea lineara Breit-Wheeler de perechi electron – pozitron din interactia foton – foton, inca nu a putut fi demonstrata experimental. (Credit O. Pike https://phys.org/news/2014-05-scientists-year-quest.html )

Laserele ELI si noile directii de cercetare.

O noua abordare cu mari sanse de succes este folosirea laserelor de putere mare de tip ELI (Extreme Light Infrastructure).

ELI-ALPS de la Szeged (Ungaria) a exploatat principiul de incertitudine Heisenberg intre coordonate si impuls:  Δx Δp ≥ ℏ/2 , pentru a instrumentaliza studiile pentru urmarirea evolutiei electronilor in diverse procese si materiale. ELI-ALPS a devenit in acest fel un instrument foarte promitator in studii de fizica attosecundelor, incununate cu premiul Nobel in acest an.

In mod similar ELI-NP de la Magurele poate exploata principiul Heisenberg de incertitudine intre energie si timp de data asta: Δt ΔE ≥ ℏ/2, pentru a studia conversia lumina – materie, prin evidentierea proceselor Breit–Wheeler sau Bethe–Heitler, in interactii foton – multi-foton laser, nu in interactii lineare foton – foton Breit-Wheeler ca in Figura 1.

Fezabilitatea unor asemenea procese a fost confirmata inca din 1997 in experimentul E144 de la SLAC (D. L. Burke, R. C. Field, G. Horton-Smith, J. E. Spencer, D. Walz, S. C. Berridge, et al., „Positron production in multiphoton light-by-light scattering”, Phys. Rev. Lett. 79(9), 1626 (1997), https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.79.1626 (vezi Figura 2). Aici s-a folosit un laser Nd:glass de lungime de unda 527 nm, cu putere de ordinul terrawatt, in interactie cu electroni accelerati cu energie de 46.6 GeV. Deficitul de intensitate laser (aport energetic) a fost compensat prin utilizarea de electroni accelerati, in interactie cu fasciculul laser.

Figura 2. Schema experimentala E144 SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Cu verde este indicat fasciculul laser, iar electronul accelerat intrand in interactie cu fasciculul laser, este figurat venind din stanga (dupa Oliver Pike prezentare INFN Frascati 2014,  https://agenda.infn.it/event/8532/contributions/74190/attachments/53971/63642/O_Pike_LNF_231014.pdf )

In acest experiment, in prima faza (Figura 3.a) interactia laser multi-foton cu electronul accelerat a produs un foton de energie inalta (29 GeV), care in faza a doua (Figura 3.b) in interactia multi-foton laser, a produs o pereche electron-pozitron (materie).

Prin acest experiment la SLAC a fost confirmata pentru prima data producerea Breit-Wheeler de materie, prin interactii foton – multi-foton (laser).

a). Producere foton de energie inalta din interactia electron si multi-foton laser (imprastiere Compton inversa nelineara)

b). Producere Breit-Wheeler de perechi electron – pozitron din interactia foton de energie inalta si multi-foton laser.

Figura 3. Producere Breit-Wheeler de perechi electron – pozitron din experimentul E144 SLAC interactia electron accelerat cu fascicul laser.

Odata cu disponibilitatea de laseri de inalta intensitate si putere, studiile proceselor Breit-Wheeler au devenit foarte atractive in intreaga lume. Totusi, posibilitati experimentale apartin in primul rand infrastructurilor laser cu puteri de Petawatt, cum este si ELI-NP. Aici exista doi laseri de 2 x 10 PW. Unul din laseri poate fi folosit pentru „wakefield acceleration” de electroni, electroni care apoi intra in interactie cu al doilea fascicul laser si produce perechile electron – pozitron.

ELI-NP este din acest punct de vedere o bijuterie, un diamant, care poate fi folosit la incoronarea unuia din procesele QED de mare rezonanta stiintifica – conversia lumina – materie. Desi, acesata poate fi folosit si in lucrari aplicative de slefuire, poate chiar a talentelor din stiinta.

Prin posibilitatile oferite de ELI-NP, acesta poate intra in cursa internationala de testare experimentala a conversiei luminii in materie. Un asemenea proiect experimental presupune trimiterea unui fascicul laser pe o tinta (gazoasa sau solida) vezi Figura 4. Din prima interactie rezulta electroni de energie inalta, care apoi in alta interactie cu al doilea fascicul laser, produce fotoni γ si perechi e+e (vezi Figura 4).

Figura 4. Interactii fascicule laser cu tinte gazoase (a) sau solide (b) cu producere de perechi e+e (dupa I. C. E. Turcu et al., “High field physics and QED experiments at ELI-NP”, Rom. Rep. Phys. 68, S145 (2016))

Detalierea procesele de interactie laser pe care se bazeaza producerea de materie, este prezentata in Figura 5. In principiu, aici exista trei etape, fiecare cu procese de interactie diferite, consecutive.

  • In prima etapa se foloseste laserul pentru accelerarea electronilor pana la energii de ordinul GeV-ilor, prin mecanismul de „wakefield acceleration”.
  • In a doua etapa, electronul accelerat interactioneaza cu fasciculul laser coerent multi-foton, producand un foton de energie inalta, fie prin efect Compton invers fie prin bremsstrahlung.
  • In etapa a treia, fotonul de energie inalta interactioneaza cu fasciculul laser multi-foton, prin mecanismul Breit-Wheeler nelinear, si produce perechea electron – pozitron, adica materie.

Figura 5. Lantul de procese de interactie SFQED de conversie lumina – materie

In etapa a doua si a treia, in locul unui fascicul intens laser se poate folosi campul electric intens al nucleului atomic. In acest caz procesul de producere foton γ energetic este cel de franare  (Bremsstrahlung), iar cel de producere perechi este mecanismul Bethe-Heitler.

Deci, experimentele de la ELI-NP ar putea alege orice combinatie de producere fotoni gama cu energie inalta (Compton invers sau Bremsstrahlung) si producere de perechi (Breit-Wheeler sau Bethe-Heitler). De interes particular ar fi procesele ce utilizeaza campul nucleului (bremsstrahlung si Bethe-Heitler), ELI-NP avand ca particularitate studii de interactii nucleare.

In concluzie, dupa ce la SLAC (E144) s-a demonstrat posibilitatea utilizarii interactiilor multi-foton in producerea de perechi e+e, dezvoltarii fara precedent a laserilor de puteri inalte, a facut ca un numar important de centre de cercetare din lume, de la China (SEL), Coreea de Sud (CoReLS) si Japonia (J-KAREN-P), la Germania (LUXE), Marea Britanie (Astra Gemini) si Franta (Apollon), si pana la Statele Unite (FACET-II, ZEUS, Omega), s-a trecut la echiparea cu asemenea laseri de putere mare si proiectarea de asemenea lucrari experimentale de conversie lumina – materie.

Din aceste proiecte, cateva mentionate in https://arxiv.org/abs/1905.00059v1 mai jos, sunt:

Urmeaza o cursa contra cronometru, din care Romania ar putea avea castig de cauza, dispunand in acest moment de cel mai puternic laser din lume.

Distribuie acest articol

21 COMENTARII

  1. poate nu ar strica să explicați ce fel de laser e în 800 nm, de ce la această frecvență/ lungime de undă… mulți nu înțeleg de ce se cheltuie zeci de miliarde pe astfel de experimente… de ce toți cu putirință bagă atâția bani, cum ați menționat, deși se sclifosesc la alte cheltuieli… sigur nu e pt șlefuirea talentelor din știință :) kudos
    (eram dator https://publications.ias.edu/sites/default/files/poincare2012.pdf)

  2. Tare mult mi-ar place sa inteleg macar putin din acest articol. Din pacate, desi l-am citit de doua ori si l-am rugat si pe google sa ma ajute, nu am habar.

    Dar, le urez succes!

  3. Nu știu ce aplicabilitate practică ar avea procesul prezentat. Mi se pare mai necesar procesul invers de fuziune, respectiv de materie transformată în energie.
    NB. Maghiarii ne-au întrecut încă o dată….

  4. 1. Laserul de la Măgurele ar putea produce rezultate de nivel mondial dacă nu i s-ar mai pune piedici de finanţare (abia le-a depăşit)
    2. Vid înaintat există. Vidul perfect (e … doar teoretic). De unde ştim că fascicolul laser nu loveşte un neutron „rătăcit” şi generează perechea electron+pozitron?
    3. Un experiment elementar (se poate face cu două laser-pointere comerciale) arată că interacţiunea foton-foton … nu prea există. Luaţi două lasere cu lungimi de undă diferite şi faceţi să se intersecteze fasciculele. Ce rezultă? Unii autori zic… că nu se întâmplă nimic.

    • Atentie, a nu se confunda vidul macroscopic realizat cu pompele de vid, care scot aerul si celelalte componente materiale, si vidul (vacuumul) cuantic. Acesta din urma exista si la presiunea normala si la presiune scazuta, fiind suprapus peste componentele materiale din atmosfera. Vacuumul cuantic nu este un „nimic”, el contine diverse campuri (electromagnetic, leptonic, barionic, Higgs, etc.). Vacuumul cuantic QED este constituit din fotoni si perechi virtuale electron – pozitron. La fel cum vacuumul cuantic QCD (Quantum ChromoDynamics) se gaseste mai in profunzime, pe distante Δx mai mici, unde se creaza si anihileaza perechi quark-antiquark. Cu cat cuantele unui camp au masa mai mare, deci mai greu de produs in urma fluctuatiilor cuantice locale Δε, cu atat ele se manifesta pe intervale temporale Δt mai mici si pe distante Δx mai mici.
      Evident, cand se studiaza experimental vacuumul cuantic, vacuumul macroscopic, material nu cel de camp, trebuie cat mai bine eliminat, tocmai ca sa nu produca interactii false, care sa dea un fond ridicat de evenimente asemanatoare, un fond de evenimente straine de cele urmarite. Din aranjamentul experimental, cu un sistem propriu de triggere se pot separa evenimentele interesante de cele de fond.

  5. La 4 generatii de la punerea omenirii in fata a unei dovezi inconturnabile a existentei unei lumi unde masa se uneste conceptual cu energia cu infricosator efect de necontestat si de neuitat, probabil ca urmatorii cativa ani vor fi cei care vor face ca noua generatie sa-si reconstruiasca conceptia asupra realitatii dupa cum prevedea acum 40 de ani Feynman: integrand organic logica fuzzy si calculatoarele cuantice, inlocuirea determinismului cu probabilitatea si omniprezenta bifurcatiiei, spatiutimpul,…pe scurt integrarea simturilor omului cu legile cuanticii. Bine ar fi ca fizicienii de la Magurele sa devina un factor notabil in acest proces cu adevarat revolutionar, facand pasul decisiv de la rolul de « supporting actor » la cel de actor principal.

      • Eu as spune ca se reduce uneori la asta, dar este un concept mult mai larg: lipsa de informatie este una, dar intelegerea imposibilitatii obtinerii informatiei este altceva.
        Probabitatea termodinamica este chiar o negatie la afirmatia ca probabilitatea este legata de absenla informatiei complete. Probabilitatea termodinamica este chiar legata intrinsec si bazata pe completitudinea cunoasterii. Fara cunoastere completa, nici nu ar putea fi masurata.
        Apoi, functionarea calculatoarelor quantice duce la intrebari esentiale despre relatia dintre probabilitate si cunoastere si raportul celor doua cu realitatea.

      • In simbioza matematica-fizica, uneori corpul matematicii este motorul, alteori cel al fizicii. In cazul conceptului de probabilitate, matematica este cea care trebuie sa digereze in acest moment rezultatele din fizica. Tot o problema de masa, ca si in interventia dvs. anterioara.

      • Da, o splendoare! Cam asta, vreau sa cred eu, este adevarata revolutie a umanitatii: “blood diamonds” inlocuite, toate, printr-un singur “brain diamond”. Si toata lumea sa-i poata aprecia…lumina.

  6. pentru extragerea perechii electron-pozitron din vacuum se pot focusa punctual mai multe surse de energie, primele 3 mai usor de folosit impreuna:
    – camp electromagnetic static (peste 10 Tesla) – ex superconductor in heliu lichid
    – camp electric pulsatil
    – accelerator de particule (se pot amplasa primele 2 instalatii pe traseul unui accelerator)
    – laser (preferabil sub 400 nm)

  7. Dl autor ne povesteste ca s-ar putea face materie din lumina la ELI-NP. Dar de ce nu s-a facut daca se poate? Ce se asteapta? Poate produc gaze naturale sau antimaterie ca sa plecam in spatiu pe alte planete. Mare lucru nu ne spune despre niste realizari, de premiul Nobel, asa cum se prezenta proiectul pe la radio. Am auzit ca se poate vizita ELI-NP, contra unei taxe de 50 de lei, ca la muzeu. E adevarat?

  8. Acum am inteles mai bine acest experiment de la Magurele. Data trecuta, in un marerial anterior, mai diplomatic am fost catalogati ca nu pricepem nimic din aceste realizari. Dar si finantarea cercetarii experimentale va trebui sa aduca niste beneficii in economia reala. Poate peste decenii, caci la noi cercetarea este invizibila inca in multe domenii si foarte slab finantata.

    • Eu as zice ca inainte de a « aduce beneficii in economia reala », fizicienii din Ro trebuie sa reinnoade/intareasca colaborarea formala cu cercetatori/unstitutii cercetarea de inalt nivel din Occident. Ca si in cazul matematicii si al chimiei, scoala din Ro are suficiente resurse in interiorul si in exteriorul tarii, astfel incat demersul sa aibe succes. Cazul laserului de la Magurele este o dovada atat a potentialului enorm, cat si a capcanelor demersului (o asemenea capcana in folosirea abuziva a fizicii pentru decuplarea Ro de stiinta occidentala prin promovarea de teorii conspirationiste vedem chiar pe aceeasi pagina cu acest articol, in cazul unui popular geofizician). Odata ajunsi la un nivel comparabil – sau cel putin la un nivel care sa permita schimbul de idei – cu colegii din US/UE/UK, domeniul va fi pregatit sa devina creator de valoare materiala in ceea ce numiti economia reala. Pana atunci, perioada de acumulare si import de cunoastere este inevitabila. Laserul de la Szeged a aratat ca se poate, de ce nu si cel de la Magurele?

LĂSAȚI UN MESAJ

Vă rugăm să introduceți comentariul dvs.!
Introduceți aici numele dvs.

Autor

Mircea Pentia
Mircea Pentia
Cercetator stiintific la Institutul de Fizica si Inginerie Nucleara din Bucuresti – Magurele si cercetator asociat la CERN

Sprijiniți proiectul Contributors.ro

Carti

„Greu de găsit un titlu mai potrivit pentru această carte. Într-adevăr, Vladimir Tismăneanu are harul de a transforma într-o aventură a cunoașterii materia informă a contorsionatei istorii a ultimei sute de ani. Pasiunea adevărului, obsesia eticii, curajul înfruntării adversităților își au în el un martor și un participant plin de carismă. Multe din concluziile sale devin adevăruri de manual. Vladimir Tismăneanu este un îmblânzitor al demonilor Istoriei, un maître à penser în marea tradiție – pentru a mă restrânge la trei nume – a lui Albert Camus, a Hannei Arendt și a lui Raymond Aron.“ — MIRCEA MIHĂIEȘ 

 

 

Carti noi

Definiția actuală a schimbării climei“ a devenit un eufemism pentru emisiile de CO2 din era post-revoluției industriale, emisii care au condus la reificarea și fetișizarea temperaturii medii globale ca indicator al evoluției climei. Fără a proceda la o „reducție climatică“, prin care orice eveniment meteo neobișnuit din ultimul secol este atribuit automat emisiilor umane de gaze cu efect de seră, cartea de față arată că pe tabla de șah climatic joacă mai multe piese, nu doar combustibilii fosili. Cumpără cartea de aici.

Carti noi

 

„Avem aici un tablou complex cu splendori blânde, specifice vieții tărănești, cu umbre, tăceri și neputințe ale unei comunități rurale sortite destrămării. Este imaginea stingerii lumii țărănești, dispariției modului de viață tradițional, a unui fel omenesc de a fi și gândi.", Vianu Mureșan. Cumpara volumul de aici

 

Pagini

Esential HotNews

contributors.ro

Contributors.ro este intr-o permanenta cautare de autori care pot da valoare adaugata dezbaterii publice. Semnaturile noi sunt binevenite cata vreme respecta regulile de baza ale site-ului. Incurajam dezbaterea relaxata, bazata pe forta argumentelor.
Contact: editor[at]contributors.ro