Un laser ad alta potenza getta nuova luce sulla reazione di radiazione

Siamo circondati da radiazioni elettromagnetiche: si trovano nelle onde radio che permettono ai cellulari di funzionare, nell''arcobaleno che vediamo quando piove e c''è il sole e nelle invisibili onde a infrarossi che i nostri telecomandi utilizzano per cambiare i canali della TV. Sappiamo che possono assumere varie forme, dalle onde radio alle microonde, fino ad arrivare ai raggi X e gamma ad alta energia. Ma di che cosa si tratta esattamente?

La radiazione elettromagnetica è l''energia che una particella carica, come ad esempio un elettrone, emette quando accelera. Quando la particella che accelera rilascia questa energia, subisce un rinculo che prende il nome di «reazione di radiazione». Di norma, le forze di reazione di radiazione sono troppo lievi per essere prese in considerazione, ma diventano significative se osservate nelle interazioni tra laser e plasma e all''interno di contesti astrofisici, dove entrano in gioco i campi elettromagnetici e le energie ad alto numero di elettroni.

Un articolo pubblicato sulla rivista «Physical Review X» presenta prove che dimostrano come, in concomitanza dello scontro tra un impulso laser ad alta intensità e un fascio di elettroni ad alta energia, si verifichi una reazione di radiazione. Un gruppo di scienziati supportato dai progetti TeX-MEx e SF-QFT, finanziati dall''UE, ha condotto questo esperimento utilizzando il laser Astra Gemini di proprietà della Central Laser Facility del Regno Unito.

Il laser a doppio fascio Astra Gemini genera due raggi laser sincronizzati, che insieme forniscono un quadrilione (10¹⁵) di watt di potenza. Nell''esperimento è stato utilizzato un impulso laser per produrre una manciata di elettroni ad alta energia mediante un processo conosciuto con il nome di accelerazione al plasma, mentre il secondo laser è stato diretto verso gli elettroni. Quando il fascio di elettroni e l''impulso laser si sono scontrati, gli elettroni hanno oscillato nel campo elettromagnetico del secondo laser e hanno sparpagliato i fotoni del fascio laser, i quali sono stati rilevati come raggi gamma. La perdita di energia degli elettroni ha provocato una reazione di radiazione.

La difficoltà di ottenere una collisione può risultare più comprensibile se consideriamo il fatto che impulsi laser più sottili di un capello umano, ciascuno dei quali durava 45 quadrilionesimi di secondo, dovevano colpire quelli che uno degli scienziati ha definito «proiettili di elettroni grandi un micron» che viaggiavano a una velocità appena inferiore a quella della luce. Lo scontro era considerato riuscito qualora fosse stata rilevata una radiazione gamma ad alta energia. Tenendo conto di queste velocità e larghezze infinitesimali, oltre a fattori quali le variazioni del fascio di elettroni da un colpo all''altro, la mira e il tempismo del laser, l''esiguità del numero di collisioni andate a buon fine non stupisce.

Le misurazioni ottenute sono state utilizzate per confrontare i modelli quantistici e tradizionali della reazione di radiazione. È emerso che i modelli tradizionali tendevano a sovrastimare le forze di reazione di radiazione e le energie dei raggi gamma rispetto ai modelli quantistici. È stato inoltre dimostrato come i dati fossero più coerenti con un modello elettromagnetico quantistico, tuttavia ciò è accaduto poco più del 68 % delle volte, il che ha reso necessari ulteriori studi per valutare adeguatamente modelli diversi.

Uno sguardo al futuro

La principale sfida futura del gruppo responsabile del progetto consiste nel combinare simultaneamente nei prossimi esperimenti intensità di laser elevate, stabilità del fascio e alte energie del raggio, al fine di raccogliere dati sufficienti per realizzare uno studio sistematico della reazione di radiazione quantistica.

Servendosi della tecnologia laser-plasma, il progetto TeX-MEx (Time resolved X-ray probing of Matter under Extreme conditions) intende ampliare le conoscenze relative al comportamento della materia nell''universo. Il progetto SF-QFT (Fundamental physics with intense laser fields) ha l''obiettivo di testare gli effetti relativi e quantistici all''interno di campi laser intensi, per acquisire nuove informazioni e supportare i futuri esperimenti legati ai laser ad alta intensità condotti nell''UE.

Per maggiori informazioni, consultare:
TeX-MEx
SF-QFT