Experimentul s-ar putea face în România

Fascicule laser intense în direcții opuse interacționând cu materia pot genera jeturi de particule și antiparticule, dar și de raze gamma, care să ne ajute să studiem procesele ce au loc în apropierea stelelor de neutroni. Un astfel de studiu ar putea fi realizat la ELI-NP în România.

Stelele de neutroni 

Stelele de neutroni sunt ceea ce rămâne în urma morții unei stele cu masa mai mare decât a Soarelui (dar nu extrem de mare – în acest caz se generează găuri negre). Câmpurile magnetice deosebit de intense prezente în multe din aceste stele pot genera jeturi energetice de particule, care ajung până la noi. Cum se generează aceste jeturi încă nu este pe deplin cunoscut. Un studiu în laborator este dificil, însă recent o nouă idee a fost propusă: folosirea a două fascicule laser care să interacționeze cu materia și, ca un fel de cleștișori, să extragă electroni pe care să îi accelereze la energii foarte mari.

Laserii care generează nori de electroni  

Ideea la baza propunerii făcute de către un grup de cercetători într-un articol recent publicat în Communications Physics este de a folosi două fascicule laser extrem de intense și a le îndrepta în direcții opuse spre o țintă: un material de plastic cu canale extrem de fine (micrometrice). Pulsurile laser extrem de intense acționează precum niște cleștișori care extrag electroni – generând un nor de electroni care sunt accelerați la energii foarte mari. Acești electroni se întâlnesc cu laserul opus (ca direcție) având loc o coliziune între fascicolul laser și norul de electroni care duce la generarea de raze gamma – adică fotoni cu energie foarte mare.

Razele gamma produc antimaterie

Cele două fascicule de raze gamma care se produc prin procesul descris anterior interacționează între ele. Ceea ce se întâmplă ulterior are de-a face cu faimoasa formulă a lui Einstein – cea care ne spune că masa și energia sunt echivalente. Energia fotonilor care se ciocnesc se materializează în perechi de particule și antiparticule. Adică cel mai probabil electroni și pozitroni, antimateria electronilor.  Acești electroni și pozitroni sunt însoțiți la rândul lor de câmpuri magnetice deosebit de intense, câmpuri care pot accelera pozitronii, până la energii de GeV (Giga-electronVolt) pe distanțe de doar 50 microni! La ora actuală aceste energii se obțin doar în acceleratoare care au o lungime evident mult mai mare decât cei 50 de microni.

Unde se poate realiza experimentul? ELI-NP

Deocamdată au fost făcute doar simulări pe calculator ale acestui interesant proces fizic. Experimental însă există puține locuri în lume unde s-ar putea studia. Laboratorul ideal – susțin cercetătorii – este în România: ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics), unde două fascicule laser de putere foarte mare pot fi îndreptate simultan spre o țintă unde să se producă pozitronii și razele gamma descrise anterior. Teste preliminare pot fi efectuate în Germania la European XFEL.

La ce ne poate ajuta acest studiu?

Producerea antimateriei și a intenselor raze gamma prin interacțiunea fasciculelor laser cu materia poate să dea informații extrem de utile în astrofizică. Astfel, s-ar putea înțelege mai bine procesele care au loc în apropierea stelelor de neutroni, de unde provin raze gamma foarte intense, care se pot materializa (prin transformarea energiei în materie) în particule-antiparticule; exact procesul ce se poate studia la ELI-NP. Ar fi deci extrem de interesant să putem studia ceea ce se întâmplă în condițiile extreme din apropierea stelelor de neutroni cu câmpuri magnetice intense într-un laborator terestru! Fizica stelelor de neutroni nu este încă bine înțeleasă și din acest motiv jeturile cu energii mari care provin de la aceste stele așteaptă încă să fie explicate printr-un mecanism fizic care ar putea fi dezvăluit tocmai prin experimente ce folosesc lasere extrem de intense.

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe