Ein Grundstein zur Beobachtung hochenergetischer Prozesse auf der Erde

Luftaufnahme des SLAC National Laboratory, wo die Theorie in einem nächsten Schritt experimentell überprüft werden wird. (Credits: Andy Freeberg & Matt Beardsley / SLAC National Accelerator Laboratory)
Luftaufnahme des SLAC National Laboratory, wo die Theorie in einem nächsten Schritt experimentell überprüft werden wird. (Credits: Andy Freeberg & Matt Beardsley / SLAC National Accelerator Laboratory)

Wissenschaftler haben eine vielversprechende Methode vorgeschlagen, um auf der Erde einen Prozess zu erzeugen und zu beobachten, der wichtig für Schwarze Löcher, Supernova-Explosionen und andere extreme kosmische Ereignisse ist. Daran beteiligt sind Forscher des Department of Astrophysical Sciences an der Princeton University, des SLAC National Acceleraor Laboratory und des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) am U.S. Department of Energy (DOE). Der Prozess wird als quantenelektrodynamische Kaskade bezeichnet und kann zu Supernovae (explodierenden Sternen) und schnellen Radioausbrüchen führen, die innerhalb weniger Millisekunden den Energieausstoß der Sonne im Zeitraum von drei Tagen produzieren.

Erste Demonstration

Die Forscher erstellten die erste theoretische Demonstration, dass die Kollision eines Laserstrahls mit einem dichten Elektronenstrahl im Labor hochdichte quantenelektrodynamische Kaskaden produzieren kann. “Wir zeigen, dass das, was für unmöglich gehalten wurde, tatsächlich möglich ist”, sagte Kenan Qu, der Hauptautor einer Studie in den Physical Review Letters, die die Demonstration beschreibt. “Das wiederum deutet an, wie bislang unbeobachtete Kollektiveffekte mit existierenden, modernen Laser- und Elektronenstrahltechnologien untersucht werden können.”

Der Prozess läuft auf direkte Weise ab. Die Kollision eines starken Laserstrahls mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl teilt ein Vakuum in hochdichte Elektron-Positron-Paare, die miteinander zu interagieren beginnen. Diese Wechselwirkung erschafft kollektive Plasmaeffekte, die beeinflussen, wie die Paare gemeinsam auf elektrische oder magnetische Felder reagieren.

Plasma (der heiße, geladene Materiezustand bestehend aus freien Elektronen und Atomkernen) macht etwa 99 Prozent des sichtbaren Universums aus. Plasma versorgt die Kernreaktionen, die in der Sonne und in anderen Sternen ablaufen. Das ist ein Prozess, den Wissenschaftler weltweit auf der Erde zu entwickeln versuchen. Plasmaprozesse im ganzen Universum werden stark von elektromagnetischen Feldern beeinflusst.

Die Studie konzentriert sich auf die elektromagnetische Stärke des Lasers und die Energie des Elektronenstrahls, die in der Theorie zusammengebracht werden, um quantenelektrodynamische Kaskaden zu erzeugen. “Wir versuchen die Bedingungen zu simulieren, die Elektron-Positron-Paare mit genügender Dichte produzieren, so dass sie messbare kollektive Effekte verursachen, und sehen, wie wir diese Effekte zweifelsfrei verifizieren können”, sagte Qu.

Die Aufgaben verlangten es, die Signatur einer erfolgreichen Plasmaerzeugung aufgrund einer quantenelektrodynamischen Prozess aufzudecken. Die Forscher fanden die Signatur in der Verschiebung eines mittelstarken Lasers in eine höhere Frequenz bei dem Vorhaben, den Laserstrahl gegen den Elektronenstrahl zu richten.

“Diese Entdeckung löst das Problem, die quantenelektrodynamische Plasmaumgebung möglichst einfach herzustellen und sie gleichzeitig möglichst einfach zu beobachten”, sagte Qu. “Die Größenordnung der Verschiebung variiert in Abhängigkeit von der Dichte des Plasmas und der Energie des Teilchenpaares.”

Jenseits aktueller Möglichkeiten

Die Theorie zeigte bereits, dass ausreichend starke laser oder elektrische oder magnetische Felder quantenelektrodynamische Paare erzeugen könnten. Aber die erforderlichen Größenordnungen sind so hoch, dass sie jenseits aktueller Labormöglichkeiten liegen.

“Es stellt sich jedoch heraus, dass die aktuelle Technologie hinsichtlich Laser und relativistischer Strahlen, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen, in Kombination ausreichend sind, um dieses Umfeld zu betreten und zu beobachten”, sagte der Physiker Nat Fisch, Professor für Astrophysik und stellvertretender Direktor für akademische Angelegenheiten am PPPL. Er ist ein Co-Autor der Studie und leitender Wissenschaftler des Projekts. “Ein Schlüsselpunkt besteht darin, den Laser zur Verlangsamung der Paare zu verwenden, so dass ihre Massen abnehmen und dadurch ihr Beitrag zur Plasmafrequenz und den kollektiven Plasmaeffekten steigt”, sagte Fisch. “Die Kombination aktueller Technologien ist wesentlich günstiger als die Konstruktion superstarker Laser.”

Diese Studie wurde mit Fördermitteln der National Nuclear Security Administration und des Air Force Office of Scientific Research finanziert. Die Forscher arbeiten jetzt daran, die theoretischen Ergebnisse am SLAC National Laboratory der Stanford University zu prüfen, wo ein mittelstarker Laser entwickelt wird und eine Quelle für Elektronenstrahlen bereits vorhanden ist. Der Physiker Sebastian Meuren, ein Co-Autor der Studie und früherer Gast-Postdoktorand am PPPL, ist jetzt am SLAC tätig und an diesem Vorhaben beteiligt.

“Wie der Großteil der Grundlagenforschung zielt diese Studie darauf ab, unsere Neugier über das Universum zu stillen”, sagte Qu. “Für die Gemeinschaft besteht eine wichtige Folge darin, dass wir Milliarden Dollar Steuereinnahmen sparen können, wenn die Theorie bestätigt werden kann.”

Quelle

(THK)

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