Naučnici istražuju razvoj lasera sa gama zracima

Finansiranje američke savezne vlade omogućiće naučnicima sa Univerziteta u Ročesteru, u saradnji sa njihovim evropskim partnerima, da istraže izvodljivost razvoja koherentnih izvora svetlosti izvan opsega X-zraka. Od izuma lasera 1960-ih godina, naučnici su težili povećanju njegove maksimalne snage i razvoju uređaja koji emituju koherentnu svetlost na sve kraćim talasnim dužinama. Ovi napreci su usmereni ka poboljšanju rezolucije slika i olakšavanju istraživanja kvantnih nuklearnih stanja.

Napredak u pogledu vršne snage je postignut, primarno izumom tehnike pojačanja impulsa sa rastezanjem (chirped pulse amplification) koju su razvili istraživači sa Univerziteta u Ročesteru 1980-ih godina, a što je donelo Nobelovu nagradu za fiziku 2018. godine. Međutim, razvoj lasera koji proizvode svetlost veoma visoke energije, kao što su gama zraci, i dalje je ostao nedostižan.

To je delimično zato što su “koherentni” talasi svetlosti u sinhronizaciji jedni s drugima, stvarajući snažniji efekat u kombinaciji. Ovaj efekat je teže postići na višim energijama fotona. I dok laseri sada mogu da proizvode koherentnu svetlost u vidljivom, ultraljubičastom i X-zračnom delu elektromagnetnog spektra, postizanje toga izvan X-zračne oblasti — gde se nalaze gama zraci — ostaje izazov.

Gama zraci u svrhu stvaranja antimaterije

Kako bi prevazišli ovu prepreku, istraživači iz Ročestera osigurali su sredstva Nacionalne naučne fondacije (NSF) u saradnji sa kolegama iz ELI Beamlines u Češkoj Republici da istraže koherentne osobine zračenja emitovanog kada guste grupe elektrona sudaraju sa snažnim laserskim poljem.

Na ovaj način, istraživači imaju za cilj da razumeju kako da proizvedu koherentne gama zrake i koriste ove nove izvore zračenja za istraživanja i primene poput stvaranja antimaterije, proučavanja nuklearnih procesa i snimanja gustih objekata ili materijala, kao što je skeniranje transportnih kontejnera.

Shutterstock

„Sposobnost da se naprave koherentni gama zraci bila bi naučna revolucija u stvaranju novih vrsta izvora svetlosti, slično kao što su otkriće i razvoj izvora vidljive svetlosti i X-zraka promenili naše fundamentalno razumevanje atomskog sveta,” kaže Antonino Di Piazza, profesor fizike na Univerzitetu u Ročesteru i istaknuti naučnik u Laboratoriji za lasersku energetiku Univerziteta, koji je vodeći istraživač na NSF grantu.

Projekat kombinuje teorijsku stručnost naučnika iz Ročestera sa teorijskim i eksperimentalnim sposobnostima ELI Beamlines u Češkoj Republici, jačajući veze između SAD-a i Evrope u oblasti lasera visoke intenzivnosti.

Gama zraci dstvoreni na bazi kvantne teorije

Naučnici će koristiti složene teorije i visokotehnološke eksperimente da prouče kako brzi elektroni interaguju sa laserom da bi emitovali svetlost visoke energije.

Počeće sa jednostavnijim slučajevima, kao što su kako jedan ili dva elektrona emituju svetlost, pre nego što pređu na složenije scenarije sa više elektrona, kako bi proizveli koherentne gama zrake. Ovaj rezultat se nadovezuje na rad naučnika koji su stvorili koherentne X-zrake, uključujući timove iz SLAC Nacionalne laboratorije za akceleratore, Evropskog XFEL-a i SACLA.

„Nismo prvi naučnici koji su pokušali da stvore gama zrake na ovaj način,” kaže Di Piazza. „Ali mi to radimo koristeći potpuno kvantnu teoriju — kvantnu elektrodinamiku — koja je napredan pristup rešavanju ovog problema.”

Ako bude uspešan, ovaj projekat bi mogao dovesti do stvaranja lasera sa gama zracima, što je veliki cilj naučne zajednice, prema rečima Di Piazze. „Naravno,” kaže on, „prvi korak je pokazati da je nauka moguća pre nego što se izgradi takav uređaj.”

Ovaj rad će takođe doprineti unapređenju naučne osnove za potencijalnu buduću NSF OPAL korisničku ustanovu sa laserskom tehnologijom visoke snage na Univerzitetu u Ročesteru, još jedan NSF-finansirani projekat na kojem je Di Piazza su-principalni istraživač, a koji ima potencijal da postane jedinstven resurs sa otvorenim pristupom za globalnu naučnu zajednicu. NSF OPAL je deo NSF X-lites, međunarodne mreže mreža koja proučava ekstremnu svetlost u intenzitetu, vremenu i prostoru, formirane da odgovori na velika pitanja postavljena na granicama koherentnih interakcija svetlosti i materije na najkraćim rastojanjima, najvišim intenzitetima i najbržim vremenima, piše Scitechdaily.