22ΟΣ ΑΙΩΝΑΣ
29/05/2020 16:57 EEST

Δημιουργία ύλης από φως: Προσομοιώσεις με λέιζερ δείχνουν τον δρόμο

Γνωρίζουμε πώς να μετατρέπουμε ενέργεια από ύλη- αλλά το αντίθετο μας δυσκολεύει.

Photo courtesy of Lawrence Livermore National Laboratory.
.

Τα πρώτα σωματίδια ύλης και αντιύλης εμφανίστηκαν μέσα σε μερικές στιγμές από τη δημιουργία του σύμπαντος, μέσα από συγκρούσεις εκπομπών ενέργειας από το φως. Η αντίστροφη διαδικασία, η παραγωγή ενέργειας από ύλη, είναι γνωστή από αρχαιοτάτων χρόνων στον άνθρωπο (από τη φωτιά ακόμα), ωστόσο το αντίστροφο, η δημιουργία ύλης από φως, μας διαφεύγει ακόμα- αλλά αυτό ενδεχομένως κάποια στιγμή να αλλάξει, αν κρίνει κανείς από μια σειρά προσομοιώσεων από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο (UC San Diego) υπό τον Αλεξέι Αρέφιεφ, που δείχνουν τον δρόμο προς την παραγωγή ύλης από φως.

Η διαδικασία αυτή αρχίζει με τη στόχευση ενός λέιζερ υψηλής ισχύος σε έναν στόχο για τη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου ισχύος αντίστοιχης αυτής ενός αστέρα νετρονίων. Το πεδίο αυτό παράγει εκπομπές ακτίνων γάμμα που συγκρούονται μεταξύ τους, παράγοντας (για πολύ σύντομες στιγμές) ζεύγη σωματιδίων ύλης και αντιύλης.

Η σχετική έρευνα δημοσιεύτηκε στο Physical Review Applied και παρέχει μια «συνταγή» την οποία θα μπορούσαν να ακολουθήσουν ερευνητές στις εγκαταστάσεις ELI (Extreme Light Infrastructure) με λέιζερ υψηλής ισχύος στην ανατολική Ευρώπη για να παράγουν πραγματικά αποτελέσματα μέσα σε ένα με δύο χρόνια, είπε ο Αρεφίεφ, αναπληρωτής καθηγητής μηχανολογίας- αεροναυπηγικής. «Τα αποτελέσματά μας φέρνουν τους επιστήμονες σε θέση να παρατηρούν, για πρώτη φορά, μια από τις θεμελιώδεις διαδικασίες στο σύμπαν» όπως είπε.

Ο Αρέφιεφ, ο διδακτορικός φοιτητής Τάο Γουάνγκ και οι συνάδελφοί τους στο Relativistic Laser-Plasma Simulation Group εργάζονται εδώ και χρόνια πάνω σε τρόπους δημιουργίας ισχυρών ακτίνων κατευθυνόμενης ενέργειας και ακτινοβολίας. Ένας τρόπος για αυτό, όπως διαπίστωσαν, θα ήταν η στόχευση ενός λέιζερ υψηλής ισχύος σε έναν στόχο για τη δημιουργία ενός πολύ ισχυρού μαγνητικού πεδίου που θα συνοδευόταν από ισχυρές εκλύσεις ενέργειας.

Υψηλής πυκνότητας και μικρής διάρκεια παλμοί λέιζερ στοχευόμενοι σε έναν μεγάλης πυκνότητας στόχο μπορούν να το καταστήσουν «διαφανή» από άποψης σχετικότητας, καθώς τα ηλεκτρόνια στο λέιζερ κινούνται με ταχύτητα πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, και πρακτικά καθίστανται βαρύτερα, εξήγησε ο Αρέφιεφ. Αυτό εμποδίζει τα ηλεκτρόνια του λέιζερ να κινηθούν για να καλύψουν τον στόχο από το φως του λέιζερ. Καθώς το λέιζερ περνά αυτά τα ηλεκτρόνια, παράγει ένα μαγνητικό πεδίο τόσο ισχυρό όσο η έλξη στην επιφάνεια ενός αστέρα νετρονίων- 100 εκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Το μαγνητικό πεδίο υπάρχει για 100 φεμτοδευτερόλεπτα (ένα φεμτοδευτερολεπτο αντιστοιχεί στο ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου). Ωστόσο, όπως είπε ο Αρέφιεφ, από την οπτική του λέιζερ, το πεδίο είναι «ημι-στατικό».

Ένα λέιζερ υψηλής ισχύος σε αυτή την περίπτωση είναι σε κλίμακα πολλαπλών petawatt (ένα petawatt αντιστοιχεί σε ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια watt). Συγκριτικά, ο Ήλιος παρέχει περίπου 174 petawatt ηλιακής ακτινοβολίας στο σύνολο του ανώτατου επιπέδου της ατμόσφαιρας, ενώ ένα laser pointer παρέχει περίπου 0,005 watt σε μια παρουσίασε Power Point.

Προηγούμενες προσομοιώσεις υποδείκνυαν πως το εν λόγω λέιζερ θα έπρεπε να είναι πολύ μεγάλης ισχύος και εστιασμένο σε ένα μικροσκοπικό σημείο για να αποδώσει την πυκνότητα που απαιτείται για τη δημιουργία ενός επαρκώς ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Οι νέες προσομοιώσεις υποδεικνύουν πως αυξάνοντας το μέγεθος του σημείου εστίασης και αυξάνοντας την ισχύ του λέιζερ γύρω στα 4 petawatt, η ένταση του λέιζερ θα παρέμενε σταθερή και θα δημιουργούσε το ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Υπό αυτές τις συνθήκες, σύμφωνα με τις προσομοιώσεις, τα επιταχυνόμενα με λέιζερ ηλεκτρόνια του μαγνητικού πεδίου προκαλούν την εκπομπή ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας.

«Δεν περιμέναμε να μη χρειάζεται να πάμε σε κάποια τρελή ένταση, πως αρκεί απλά να αυξήσουμε την ισχύ για να φτάσουμε σε κάποια πολύ ενδιαφέροντα πράγματα» είπε ο Αρέφιεφ.

Ένα από αυτά τα ενδιαφέροντα πράγματα είναι η παραγωγή ζευγών ηλεκτρονίων- ποζιτρονίων, ζευγών ύλης και αντιύλης. Τα σωματίδια αυτά μπορούν να παραχθούν συγκρούοντας δύο δέσμες ακτίνων γάμμα ή συγκρίνοντας μια δέσμη ακτίνων γάμμα με ακτινοβολία μέλανος σώματος- ένα αντικείμενο που απορροφά όλη την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του. Η μέθοδος αυτή παράγει πολλά εξ αυτών- δεκάδες με εκατοντάδες χιλιάδες ζεύγη από μία σύγκρουση. Επιστήμονες είχαν επιτύχει τη μετατροπή φωτός σε ύλη και στο παρελθόν, σε ένα πείραμα του 1997 στο Στάνφορντ, ωστόσο η μέθοδος εκείνη απαιτούσε μια επιπλέον ροή ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, ενώ η νέα μέθοδος «είναι απλά φως που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ύλης» είπε ο Αρέφιεφ, προσθέτοντας πως το πείραμα του Στάνφορντ ήταν σε θέση να παράγει ένα ζεύγος σωματιδίων ανά περίπου 100 βολές. Ένα πείραμα που χρησιμοποιεί μόνο φως για τη δημιουργία ύλης είναι πιο κοντά στις συνθήκες κατά τα πρώτα λεπτά της ύπαρξης του σύμπαντος, παρέχοντας ένα καλύτερο μοντέλο στους επιστήμονες που επιδιώκουν να μάθουν περισσότερα για τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Επίσης, το πείραμα αυτό θα παρείχε περισσότερες ευκαιρίες για τη μελέτη σωματιδίων αντιύλης, που παραμένει ένα μυστηριώδες μέρος της σύνθεσης του σύμπαντος.