Foto per gentile concessione del Lawrence Livermore National Laboratory.

Introduzione

Pochi minuti dopo la nascita dell’universo, le emissioni di energia luminosa in collisione hanno creato le prime particelle di materia e antimateria. Conosciamo bene il processo inverso – la materia che genera energia – in tutto, da un falò a una bomba atomica, ma è stato difficile ricreare la trasformazione della luce in materia.

Ora, una nuova serie di simulazioni da parte di un gruppo di ricerca guidato da Alexey Arefiev, dell’UC San Diego, indicano la strada per creare la materia dalla luce. Il processo inizia puntando un laser ad alta potenza su un bersaglio per generare un campo magnetico forte come quello di una stella di neutroni. Questo campo genera emissioni di raggi gamma che si scontrano per produrre – per un brevissimo istante – coppie di particelle di materia e antimateria.

Alexey Arefiev
Alexey Arefiev, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la UC San Diego Jacobs School of engineering.

Lo studio pubblicato l’11 maggio su Physical Review Applied offre una sorta di ricetta che gli sperimentatori presso le strutture laser ad alta potenza di Extreme Light Infrastructure (ELI), nell’Europa orientale, potrebbero seguire per produrre risultati reali in uno o due anni, ha affermato Arefiev, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale.

I nostri risultati mettono gli scienziati in grado di sondare, per la prima volta, uno dei processi fondamentali nell’universo“, ha affermato.

Sfruttare l’elevata potenza

Arefiev, il dottorando Tao Wang e i loro colleghi del Relativistic Laser-Plasma Simulation Group hanno lavorato per anni sui modi per creare fasci intensi e diretti di energia e radiazioni, lavoro che è supportato in parte dalla National Science Foundation e dall’Air Force Office of Science Research. Un modo per raggiungere questo obiettivo, hanno osservato, sarebbe quello di puntare un laser ad alta potenza su un obiettivo per creare un campo magnetico molto forte che scaglierebbe intense emissioni di energia.

Gli impulsi laser ultra-corti ad alta intensità rivolti su un bersaglio denso possono rendere il bersaglio “relativisticamente trasparente”, poiché gli elettroni nel laser si muovono a una velocità molto vicina alla velocità della luce e diventano effettivamente più pesanti, spiega Arefiev. Ciò impedisce agli elettroni del laser di muoversi per proteggere il bersaglio dalla luce del laser. Quando il laser supera questi elettroni, genera un campo magnetico forte quanto l’attrazione sulla superficie di una stella di neutroni, 100 milioni di volte più forte del campo magnetico terrestre.

Dire che tutto ciò accade in un battito di ciglia è incredibile. Il campo magnetico esiste per 100 femtosecondi. (Un femtosecondo è 10-15 di secondo). Ma “dal punto di vista del laser, il campo è quasi statico“, ha detto Arefiev. “Ancora una volta, dal punto di vista del laser, le nostre vite sono probabilmente più lunghe della vita dell’universo“.

Un laser ad alta potenza in questo caso è uno nella gamma multi-petawatt. Un petawatt è 1015 W, un milione di miliardi di watt. Per fare un confronto, il Sole fornisce circa 174 petawatt di radiazione solare all’intera atmosfera superiore della Terra. 

Simulazioni precedenti suggerivano che il laser in questione sarebbe stato abbastanza potente per produrre l’intensità richiesta per creare un campo magnetico abbastanza forte se puntato su un punto minuscolo. Me le nuove simulazioni suggeriscono che aumentando le dimensioni del punto focale e aumentando la potenza del laser a circa 4 petawatt, l’intensità del laser potrebbe rimanere fissa e creare comunque un forte campo magnetico.

In queste condizioni, le simulazioni mostrano che gli elettroni accelerati dal laser del campo magnetico stimolano l’emissione di raggi gamma ad alta energia. “A queste intensità pazzesca si possono verificare cose molto interessanti” ha detto Arefiev.

Coppie di particelle

Una di queste cose interessanti è la produzione di coppie elettroni/positroni – particelle accoppiate di materia e antimateria. Queste particelle possono essere prodotte facendo scontrare due raggi gamma o facendo collidere un raggio gamma con le radiazioni di corpo nero, un oggetto che assorbe tutte le radiazioni che cadono su di essa. Il metodo ne produce molti, da decine a centinaia di migliaia di coppie nate da una collisione.

Gli scienziati hanno già realizzato l’impresa luce-materia in passato, in particolare in un esperimento di Stanford del 1997, ma quel metodo richiedeva un flusso extra di elettroni ad alta energia, mentre nel nuovo metodo “…è solo la luce utilizzata per produrre materia“, ha affermato Arefiev. Ha anche osservato che l’esperimento di Stanford “produrrebbe una coppia di particelle ogni 100 colpi“.

Un esperimento che utilizza solo la luce per creare materia imita le condizioni durante i primi minuti dell’universo, offrendo un modello migliorato per i ricercatori che desiderano saperne di più su questo periodo di tempo critico. L’esperimento potrebbe anche fornire maggiori possibilità per studiare particelle di antimateria, che rimangono una parte misteriosa della composizione dell’universo. Ad esempio, gli scienziati sono curiosi di saperne di più sul perché l’universo sembra avere più materia dell’antimateria, quando i due dovrebbero esistere in egual misura.

Avere la tecnologia necessaria

Arefiev e i suoi colleghi sono stati incoraggiati a fare queste simulazioni ora perché sono ora disponibili le strutture laser in grado di eseguire realmente gli esperimenti. “Abbiamo specificamente fatto i calcoli per i laser che sono stati disponibili solo negli ultimi tempi“, ha detto.

In una strana svolta, le simulazioni proposte dal team di ricerca potrebbero anche aiutare gli scienziati ELI a determinare se i loro laser sono intensi come credono. Sparare un laser nella gamma multi-petawatt su un bersaglio di soli cinque micron di diametro “distruggerebbe tutto“, ha detto Arefiev. “Spari e non c’è più nulla da recuperare e non puoi effettivamente misurare l’intensità di picco che produci“.

Ma se gli esperimenti producono raggi gamma e coppie di particelle come previsto, “questa sarà una convalida che la tecnologia laser può raggiungere un’intensità così elevata“, ha aggiunto.

Nuove collaborazioni

L’anno scorso, i ricercatori della UC San Diego hanno ricevuto una sovvenzione della National Science Foundation statunitense che consente loro di collaborare con i ricercatori ELI per condurre questi esperimenti. Questa collaborazione è fondamentale, ha dichiarato Arefiev, perché negli Stati Uniti non ci sono strutture con laser abbastanza potenti, nonostante un rapporto del 2018 delle National Academies of Sciences che avverta che gli Stati Uniti hanno perso il loro vantaggio nell’investire in un’intensa tecnologia laser ultraveloce.

Arefiev ha affermato che le strutture laser ELI saranno pronte per testare le loro simulazioni tra un paio d’anni. “Questo è il motivo per cui abbiamo scritto questo articolo, perché il laser è operativo, quindi non siamo così lontani dal farlo realmente“, ha detto. “Questo è ciò che mi attrae della scienza. Vedere per credere“.

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