Vereinigte Staaten Nationale Wissenschaftsstiftung (NSF) und die Tschechische Wissenschaftsstiftung (GACR) Finanzierung ein neues Gemeinschaftsprojekt von Wissenschaftlern aus Universität von Kalifornien, San Diego in den Vereinigten Staaten und ELI-Beamlines (Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften) in der Tschechischen Republik, das darauf abzielt, die Möglichkeiten der Multi-Petawatt-Laseranlage von ELI Beamlines zu nutzen. Die Forscher hoffen, dass diese Experimente einen Durchbruch beim Nachweis der effizienten Erzeugung dichter Gammastrahlenbündel erzielen können.
Stellare Objekte wie Pulsare können aufgrund ihrer extremen Energien Materie und Antimaterie direkt aus Licht erzeugen. Tatsächlich ist das Magnetfeld oder die „Magnetosphäre“ eines Pulsars mit Elektronen und Positronen gefüllt, die durch die Kollision von Photonen entstehen.
Dieselben Phänomene in einem Labor auf der Erde zu reproduzieren, ist äußerst schwierig. Dies erfordert eine dichte Wolke von Photonen mit Energien, die millionenfach höher sind als das sichtbare Licht, eine Leistung, die Wissenschaftlern, die auf diesem Gebiet arbeiten, bisher entgangen ist. Theorien legen jedoch nahe, dass Hochleistungslaser in der Lage sein sollten, eine solche Photonenwolke zu erzeugen.
Als erste internationale Laserforschungsinfrastruktur, die sich der Anwendung von Hochleistungs- und Hochintensitätslasern widmet, werden die Einrichtungen der Extreme Light Infrastructure (ELI ERIC) solche Forschungsmöglichkeiten ermöglichen. Das ELI ERIC ist eine standortübergreifende Forschungsinfrastruktur, die auf den spezialisierten und komplementären Einrichtungen ELI Beamlines (Tschechische Republik) und ELI ALPS (Ungarn) basiert. Die neuen Fähigkeiten von ELI werden die Bedingungen für das Testen von Theorien im Labor schaffen.
Computersimulation der Emission energiereicher Gammastrahlen (gelbe Pfeile) durch ein dichtes Plasma (grün), das von einem hochintensiven Laserstrahl (rot und blau) bestrahlt wird. Der Laser breitet sich von links nach rechts aus, wobei die emittierten Photonen in die gleiche Richtung fliegen. Die glatten blauen und roten Bereiche stellen ein starkes Magnetfeld dar, das vom Plasma erzeugt wird, während der oszillierende Bereich dem Magnetfeld des Lasers entspricht.
Dieses Projekt vereint die theoretische Expertise von Universität von Kalifornien San Diego (USA)experimentelle Expertise von ELI-Beamlinesund das Target-Fertigungs- und Engineering-Know-how von General Atomics (USA). Das etwa 1.000.000 $ teure Projekt, das gemeinsam von NSF und GACR finanziert wird, wird von Professor Alexey Arefiev von der UC San Diego geleitet. Die Zielentwicklung für den Rep-Einsatz wird bei General Atomics unter der Leitung von Dr. Mario Manuel stattfinden, während die Primärexperimente bei ELI Beamlines von einem Team unter der Leitung von Dr. Florian Condamine und Dr. Stefan Weber durchgeführt werden.
Das Konzept für das Projekt wurde von Arefievs Forschungsgruppe an der UC San Diego entwickelt, die sich auf Supercomputer-Simulationen intensiver Licht-Materie-Wechselwirkungen spezialisiert hat. Der Ansatz dieses Projekts nutzt einen Effekt, der auftritt, wenn Elektronen in einem Plasma durch einen Hochleistungslaser auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dieser Effekt wird als „relativistische Transparenz“ bezeichnet, da er dazu führt, dass zuvor undurchsichtiges, dichtes Plasma für Laserlicht transparent wird.
In diesem Bereich werden extrem starke Magnetfelder erzeugt, wenn sich der Laser durch das Plasma ausbreitet. Dabei schwingen die relativistischen Elektronen im Magnetfeld, was wiederum zur Emission von Gammastrahlen führt, hauptsächlich in Richtung des Lasers.
„Es ist sehr spannend, dass wir Magnetfelder erzeugen können, die bisher nur in extremen astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen existierten“, sagt Arefiev. „Die Kapazität von ELI-Beamlines Laser, um eine sehr hohe Intensität auf das Ziel zu erreichen, ist der Schlüssel zum Erreichen dieses Regimes.
Diese Experimente werden die erste statistisch relevante Studie zur Erzeugung von Gammastrahlen unter Verwendung von Hochleistungslasern liefern. Die Forscher hoffen, dass diese Arbeit den Weg für sekundäre Quellen hochenergetischer Photonen ebnen wird, die nicht nur für grundlegende physikalische Studien, sondern auch für eine Reihe wichtiger industrieller Anwendungen wie Materialwissenschaften, Nuklearabfall-Imaging und Kernbrennstoffanalyse verwendet werden können , Sicherheit, tiefe hochauflösende Radiographie usw. Eine solche „extreme Bildgebung“ erfordert robuste, reproduzierbare und gut kontrollierte Gammastrahlenquellen. Dieser Vorschlag zielt speziell auf die Entwicklung dieser unveröffentlichten Quellen ab.
Experimente werden durch einen weiteren technologischen Fortschritt stark unterstützt. Bis vor kurzem konnten Hochleistungslaseranlagen etwa einen Schuss pro Stunde ausführen, was die zu sammelnde Datenmenge begrenzte. Neue Installationen wie ELI Beamlines sind jedoch in der Lage, mehrere Aufnahmen pro Sekunde zu machen. Diese Fähigkeiten ermöglichen statistische Untersuchungen von Laser-Target-Wechselwirkungen auf eine Art und Weise, die noch vor wenigen Jahren unmöglich war. Das bedeutet, dass eine Änderung in der Art und Weise, wie diese Erlebnisse gestaltet und ausgeführt werden, erforderlich ist, um die Möglichkeiten voll auszuschöpfen.
„Die Anlage ELI Beamlines P3 ist eine einzigartige und vielseitige experimentelle Infrastruktur für anspruchsvolle Hochfeldexperimente und perfekt geeignet für das geplante Programm“, kommentiert Condamine. Weber merkt an: „Diese Zusammenarbeit zwischen San Diego und ELI Beamlines sollte ein großer Schritt nach vorne sein, um die amerikanische Gemeinschaft und das ELI-Team für gemeinsame Erfahrungen zusammenzubringen.“
Ein wichtiger Teil dieses Projekts besteht daher darin, die nächste Generation von ELI Beamlines-Wissenschaftlern darin auszubilden, Techniken zu entwickeln, die ihre bewährten Fähigkeiten voll ausschöpfen können. Studenten und Postdoktoranden der UC San Diego werden außerdem den Zieleinsatz und die Datenerfassung an der neuen GALADRIEL-Laseranlage von General Atomics üben, um die Effizienz von Experimenten an ELI-Beamlines zu verbessern.
Die Anlage P3 (Plasma Physics Platform) bei ELI Beamlines, wo die Experimente stattfinden werden.
„Dies ist das erste Projekt, das von der Czech Science Foundation und der US National Science Foundation finanziert wird. Ich glaube, dass die neue Zusammenarbeit zwischen den Agenturen zu einer Reihe erfolgreicher Projekte führen wird und dass die kooperierenden wissenschaftlichen Teams aus der Tschechischen Republik und den Vereinigten Staaten davon profitieren werden.“ sagt GACR-Präsident Dr. Petr Baldrian.
„Wir freuen uns, mit unseren Kollegen in der Tschechischen Republik zusammenzuarbeiten, um die internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit in den Bereichen künstliche Intelligenz, Nanotechnologie und Plasmaforschung weiter auszubauen. Ich bin optimistisch, dass dies das erste von vielen Kooperationsprojekten zwischen NSF und GACR sein wird
Teilen