I Fisici Hanno Costruito un Laser che Crea Materia dal Vuoto
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Creare la Materia dal Vuoto
I fisici sono riusciti a concentrare la radiazione di un potente laser da petawatt in un punto con un’intensità di oltre 1023 watt per centimetro quadrato. Per ottenere questo risultato, hanno effettuato una correzione del fronte d’onda in due fasi, la cui stabilità è stata testata su 80 impulsi. Tali intensità consentiranno di osservare la nascita di coppie elettrone-positrone dal vuoto. I risultati sono pubblicati su Optica.
Dall’invenzione dell’amplificazione della luce con impulsi chirped, si è assistito a un rapido aumento dell’intensità laser ottenibile in laboratorio. La luce ad alta potenza è necessaria per molte applicazioni, ma di particolare interesse è l’uso dei laser per l’accelerazione delle particelle e per l’osservazione degli effetti elettrodinamici quantistici nel regime di campo forte, perché l’intensità della radiazione è proporzionale al numero medio di fotoni nel fascio.
Ogni fotone, mentre si muove, partecipa costantemente a un processo virtuale, quando si trasforma per un tempo molto breve in una coppia elettrone-positrone e viceversa (si chiama anche polarizzazione del vuoto). Quando il numero di fotoni diventa sufficientemente grande, i fotoni vicini possono collidere con tale coppia, moltiplicando la frequenza del fotone principale. Questo processo è chiamato generazione di armoniche superiori nel vuoto. Un ulteriore aumento dell’intensità luminosa porta al fatto che la coppia elettrone-positrone da virtuale diventa reale. In altre parole, a intensità luminose sufficientemente elevate, la materia nasce dal vuoto.
I primi calcoli dei teorici hanno dimostrato che tale processo diventa osservabile quando si raggiunge il cosiddetto limite di Schwinger, che in unità di intensità è di circa 5×1029 watt per centimetro quadrato. Ricerche successive hanno dimostrato che per uno schema a controfascio, questo limite scende a 1026 watt per centimetro quadrato. I fisici hanno poi proposto vari circuiti con un maggior numero di impulsi, che hanno abbassato questa soglia a 1023 watt per centimetro quadrato. Fino a poco tempo fa, tuttavia, nessun laboratorio al mondo che producesse radiazioni laser ad alta potenza era in grado di raggiungere questo valore.
Nel nuovo lavoro, un team di fisici della Corea del Sud, guidato da Chang Hee Nam, è riuscito a raggiungere questa intensità utilizzando un laser da petawatt situato presso il Relativistic Laser Science Centre of South Korea (CoReLS). Una caratteristica particolare del loro lavoro è stata quella di ridurre l’impulso del laser a uno spot di 1,1 micron di diametro.
La dimensione dello spot è fondamentale per ottenere un’elevata intensità, poiché quest’ultima è inversamente proporzionale all’area del fascio. Tuttavia, la riduzione dei punti ha un limite, determinato dalle leggi dell’ottica ondulatoria, chiamato limite di diffrazione. L’obiettivo degli autori dell’articolo era quello di ottenere proprio questa dimensione di spot.
Tuttavia, per un circuito così complesso, questo non può essere ottenuto con l’ottica convenzionale. I fisici hanno quindi aggiunto due fasi alla configurazione, controllando e correggendo il fronte d’onda. Il primo è stato realizzato con sensori Shack-Hartmann, il secondo con specchi adattivi (deformabili). La messa a fuoco finale è stata effettuata utilizzando uno specchio parabolico fuori asse per ridurre al minimo le aberrazioni.
Di conseguenza, i fisici sono riusciti a ottenere una distribuzione dell’intensità sul rivelatore vicina al caso di perfetta focalizzazione. L’analisi degli errori utilizzando 80 impulsi consecutivi ha mostrato che le fluttuazioni dell’intensità erano dovute a fluttuazioni del fronte d’onda causate da correnti d’aria nel percorso del raggio laser. Nel combatterli, gli autori hanno visto un ulteriore modo per migliorare l’installazione.
In futuro, i fisici intendono studiare una serie di fenomeni elettrodinamici quantistici, come la nascita di coppie elettrone-positrone dal vuoto e l’effetto Compton non lineare, oltre a studiare l’accelerazione delle particelle cariche dovuta alla pressione della luce.
La fisica moderna è impensabile senza laser. Abbiamo già descritto come vengono utilizzati per raffreddare l’antimateria e misurare l’energia di transizione degli ioni relativistici.
Марат Хамадеев
Fonte: nplus1.ru
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