Ein Forscherteam hat erfolgreich die nichtlineare Compton-Streuung (NCS) zwischen einem ultrarelativistischen Elektronenstrahl und einem Laserpuls ultrahoher Intensität mithilfe des 4-Petawatt-Lasers am Center for Relativistic Laser Science (CoReLS) des Institute for Basic Science in Gwangju demonstriert Institut für Wissenschaft und Technologie (GIST), Korea.
Die Innovation besteht in der ausschließlichen Verwendung eines Lasers für Elektron-Photon-Kollisionen, wobei ein Multi-PW-Laser sowohl zur Teilchenbeschleunigung als auch zur Kollision eingesetzt wird (auch rein optischer Aufbau genannt). Diese Errungenschaft stellt einen bedeutenden Meilenstein in der Starkfeldphysik dar, insbesondere in der Starkfeld-Quantenelektrodynamik (QED). Es bietet neue Einblicke in hochenergetische Elektron-Photon-Wechselwirkungen, ohne dass ein herkömmlicher, kilometerlanger Teilchenbeschleuniger erforderlich ist.
Bei der nichtlinearen Compton-Streuung muss ein Elektron mehrere Laserphotonen absorbieren und gleichzeitig ein einzelnes hochenergetisches Gammastrahlenphoton aussenden. Um dieses Phänomen zu beobachten, näherten sich die Forscher der „Schwinger-Grenze“ – einer theoretischen Laserintensität (2×1029 W/cm2), die so stark ist, dass sie das Vakuum der Raumzeit „zum Kochen bringt“, um Materie-Antimaterie-Paare zu erzeugen.
Da der aktuelle Rekord für die höchste Laserintensität der Welt, der von CoReLS nachgewiesen wurde, immer noch eine Million Mal unter dieser Schwelle liegt, wandte das Team einen Workaround an: Ein ultrarelativistischer Elektronenstrahl kollidierte mit einem Laserpuls ultrahoher Intensität und nutzte dabei Einsteins Theorie von Relativität. Im Bezugssystem des Elektrons schien die Laserintensität etwa 50 % der Schwinger-Grenze zu betragen, was nichtlineare QED-Phänomene auslöste.
Die Wissenschaftler führten eine Reihe von Experimenten mit dem CoReLS PW-Laser durch. Der Laserstrahl wurde in zwei Strahlen aufgeteilt, die jeweils unterschiedliche Aufgaben erfüllten. Der erste Strahl wurde auf eine 5 cm lange gasgefüllte Zelle fokussiert, wo er die „Laser-Wakefield-Beschleunigung“ (LWFA) von Elektronen auslöste. Bei diesem Beschleunigungsmechanismus „surfen“ Elektronen auf einer lasererzeugten Plasmawelle und gewinnen dabei eine Energie von bis zu 3 GeV – 99,999999 % der Lichtgeschwindigkeit.
Der zweite Strahl war ein Lichtblitz, der auf einen Durchmesser von 2 Mikrometern (ein paar Prozent eines Haardurchmessers) fokussiert war und nur 20 Femtosekunden dauerte (eine Femtosekunde entspricht einem Milliardstel einer Millionstelsekunde). Dieser Strahl wurde so ausgerichtet, dass er mit den beschleunigten Elektronen kollidierte, die aus dem Plasma in der Gaszelle austraten, wie in Abb. 1 dargestellt.
Das Erreichen der für die Kollision erforderlichen präzisen Überlappung innerhalb weniger Mikrometer und 10 Femtosekunden ermöglichte es dem Laserpuls, die Elektronen zu „schütteln“, die bis zu 400 Laserphotonen abprallten und sie gleichzeitig absorbierten. Die absorbierte Energie wurde dann als einzelnes hochenergetisches Gammastrahlenphoton mit einer Energie im Bereich von mehreren zehn bis hundert Megaelektronenvolt emittiert.
Mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen haben die Forscher die Gammastrahlenenergie sorgfältig charakterisiert, um sicherzustellen, dass andere Röntgen- und Gammastrahlenhintergründe die Messungen nicht beeinträchtigen. Sie verifizierten die Gammastrahlensignaturen anhand theoretischer Vorhersagen und verglichen die experimentellen Ergebnisse mit analytischen Modellen und Partikel-in-Zell-Simulationen, die mit Supercomputern durchgeführt wurden.
Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation bestätigte das Auftreten nichtlinearer Compton-Streuung und ermöglichte es dem Team, die Intensität des kollidierenden Lasers abzuleiten, indem es seinen „Fingerabdruck“ aus den Gammastrahlensignalen extrahierte.
Aufgrund der großen Anzahl von Kollisionen war der in Experimenten erzeugte Gammastrahlenstrahl 1.000-mal heller als alles, was bisher in Laboratorien auf dieser Energieskala erreicht wurde. Dieser Durchbruch hat potenzielle Anwendungsmöglichkeiten bei der Untersuchung nuklearer Prozesse und dem Verständnis der Antimaterieproduktion, beispielsweise beim Breit-Wheeler-Prozess zur Erforschung von Photon-Photon-Kollisionen zur Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren. Die Fotos in Abb. 2 zeigt den 4-PW-Laser und den Kontrollraum bei CoReLS während des Compton-Streuexperimentes.
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Diese Forschung, veröffentlicht In Naturphotonikist Teil einer umfassenderen Anstrengung zum Verständnis der Quantenelektrodynamik (QED) in starken Hintergrundfeldern, auch bekannt als Starkfeld-Quantenelektrodynamik. Die Forschung kann Laborphänomene nachahmen, die typischerweise in astrophysikalischen Objekten wie Magnetaren, Supernovae und den Regionen in der Nähe von Schwarzen Löchern auftreten.
Die erste Studie mit einer Laser-Elektronenstrahl-Kollision wurde 1996 am SLAC durchgeführt, allerdings unter Verwendung eines kilometerlangen Beschleunigers und eines viel weniger intensiven Lasers. Ähnliche Experimente sind auch an Beschleunigeranlagen wie DESY (LUXE-Projekt, Deutschland), SLAC (FACET II, USA) und kommenden Multi-Petawatt-Laseranlagen wie Apollon (Frankreich), Station for Extreme Light (China), ELI geplant. NP (Rumänien), ELI-Beamlines (Tschechische Republik) oder Omega EP OPAL (U. Rochester) und ZEUS (U. Michigan, USA).
Weitere Informationen:
Mohammad Mirzaie et al., Volloptische nichtlineare Compton-Streuung mit einem Multi-Petawatt-Laser, Naturphotonik (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01550-8