Fundusze federalne umożliwią naukowcom z Uniwersytetu w Rochester, we współpracy z europejskimi partnerami, zbadanie wykonalności opracowania spójnych źródeł światła wykraczających poza promieniowanie rentgenowskie.
Od wynalezienia lasera w latach 60. XX wieku naukowcy dążą do zwiększenia jego mocy szczytowej i opracowania urządzeń emitujących spójne światło o coraz krótszych długościach fal. Postępy te mają na celu poprawę rozdzielczości obrazu i ułatwienie badania kwantowych stanów jądrowych.
Poczyniono postępy w zakresie mocy szczytowej, w szczególności dzięki wynalezieniu w latach 80. XX w. przez naukowców z Uniwersytetu w Rochester wzmacniania impulsów ćwierkających, co stanowiło przełom, który zapewnił Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2018 r. Jednak opracowanie laserów wytwarzających światło o bardzo wysokiej energii, np. promienie gamma, pozostaje nieuchwytne. Dzieje się tak po części dlatego, że „spójne” fale świetlne są ze sobą zsynchronizowane, tworząc w połączeniu silniejszy efekt. Efekt ten jest trudniejszy do osiągnięcia przy wyższychfoton energie. I choć lasery mogą obecnie wytwarzać spójne światło w zakresie widzialnym, ultrafioletowym i rentgenowskim widma elektromagnetycznego, wytwarzanie tego poza zakresem rentgenowskim – czyli tam, gdzie występuje promieniowanie gamma – pozostaje wyzwaniem.
Naukowcy z Rochester postanowili pokonać tę przeszkodę Finansowanie Narodowej Fundacji Nauki (NSF). we współpracy z kolegami z Linie promieni ELI w Czechy w celu zbadania właściwości koherencji promieniowania emitowanego podczas zderzenia gęstych wiązek elektronów z silnym polem laserowym. Czyniąc to, badacze chcą zrozumieć, w jaki sposób wytwarzać spójne promienie gamma i wykorzystywać te nowe źródła promieniowania do badań i zastosowań do tworzenia antymaterii, badania procesów jądrowych oraz obrazowania gęstych obiektów lub materiałów, takich jak skanowanie kontenerów transportowych.
„Możliwość wytwarzania spójnych promieni gamma byłaby naukową rewolucją w tworzeniu nowych rodzajów źródeł światła, podobnie jak odkrycie i rozwój źródeł światła widzialnego i promieni rentgenowskich zmieniło nasze podstawowe rozumienie świata atomowego” – mówi Antonino Di Piazza , profesor fizyki na Uniwersytecie w Rochester i wybitny naukowiec w Uniwersyteckim Laboratorium Energetyki Laserowej, który jest głównym badaczem w ramach grantu NSF.
Połączenia USA–Europa ułatwiają postęp w nauce o laserach
Projekt łączy teoretyczną wiedzę naukowców z Rochester z teoretycznymi i eksperymentalnymi możliwościami ELI Beamlines w Czechach, wzmacniając więzi między USA i Europą w dziedzinie laserów o dużej intensywności.
Naukowcy wykorzystają złożone teorie i zaawansowane technologicznie eksperymenty, aby zbadać, w jaki sposób szybko poruszające się elektrony oddziałują z laserem, emitując światło o wysokiej energii. Zaczną od przyjrzenia się prostszym przypadkom, takim jak emitowanie światła przez jeden lub dwa elektrony, a następnie przejdą do bardziej skomplikowanych scenariuszy z wieloma elektronami, aby wytworzyć spójne promienie gamma. Taki wynik opiera się na pracy naukowców, którzy stworzyli spójne promieniowanie rentgenowskie, w tym zespołów z SLAC National Accelerator Laboratory, European XFEL i SACLA.
„Nie jesteśmy pierwszymi naukowcami, którzy próbowali wytworzyć promienie gamma w ten sposób” – mówi Di Piazza. „Ale robimy to, korzystając z w pełni kwantowej teorii – elektrodynamiki kwantowej – która stanowi zaawansowane podejście do rozwiązania tego problemu”.
Jeśli projekt zakończy się sukcesem, projekt ten może doprowadzić do stworzenia lasera elektronowego wolnego od promieniowania gamma, co według Di Piazza jest głównym celem społeczności naukowej. „Oczywiście” – mówi – „krok pierwszy polega na pokazaniu, że nauka jest możliwa przed zbudowaniem takiego urządzenia”.
Prace te przyczynią się również do udoskonalenia argumentacji naukowej na potencjalną przyszłość Obiekt dla użytkownika lasera dużej mocy NSF OPAL na Uniwersytecie w Rochester – kolejny projekt finansowany przez NSF, w którym Di Piazza jest współgłównym badaczem i który może stać się wyjątkowym, ogólnodostępnym źródłem informacji dla globalnej społeczności naukowej. NSF OPAL jest częścią NSF X-litemiędzynarodowa sieć sieci badających ekstremalne natężenie światła, czas i przestrzeń, utworzona w celu sprostania wielkim wyzwaniom zdefiniowanym na granicach spójnych interakcji laser-materia na najkrótszych dystansach, najwyższych intensywnościach i najszybszych czasach.
