Američtí a čeští vědci spolupracují na výzkumu produkce gama záření vysokovýkonnými lasery

Spojené státy americké Národní vědecká nadace (NSF) a Grantová agentura České republiky (GAČR) Financování Nový společný projekt vědců Kalifornská univerzita v San Diegu V Americe a ELI Beamlines (Fyzikální ústav Akademie věd ČR) v České republice s cílem využít schopností multi-betawattového laserového zařízení ELI Beamlines. Vědci doufají, že tyto experimenty by mohly vést k průlomu tím, že prokážou účinnou generaci hustých paprsků gama.

Mezihvězdné objekty, jako jsou pulsary, mohou díky svým extrémním energiím vytvářet hmotu a antihmotu přímo ze světla. Ve skutečnosti je magnetické pole pulsaru neboli „magnetosféra“ naplněno elektrony a pozitrony vytvořenými srážkou fotonů.

Reprodukce stejných jevů v laboratoři na Zemi je velmi náročná. To vyžaduje hustý oblak fotonů s milionkrát větší energií než viditelné světlo, což vědcům pracujícím v této oblasti dosud unikalo. Teorie však naznačují, že vysoce výkonné lasery mohou takový fotonový mrak vytvořit.

Zařízení Extreme Light Infrastructure (ELI ERIC) jako první mezinárodní laserová výzkumná infrastruktura věnovaná použití vysoce výkonných a vysoce intenzivních laserů umožní takové možnosti výzkumu. ELI ERIC je vícemístná výzkumná infrastruktura založená na specializovaných a doplňkových zařízeních ELI Beamlines (Česká republika) a ELI ALPS (Maďarsko). Nové schopnosti v ELI vytvoří podmínky nezbytné pro testování teorií v laboratoři.

Superpočítačová simulace energetické emise gama záření (žluté šipky) z hustého plazmatu (zelená) ozařovaného laserovým paprskem o vysoké intenzitě (červená a modrá). Laser se šíří zleva doprava, přičemž emitované fotony létají stejným směrem. Měkké modré a červené oblasti představují silné magnetické pole generované plazmatem, zatímco oscilující oblast odpovídá magnetickému poli laseru.

Tento projekt Integruje teoretické znalosti z Kalifornská univerzita v San Diegu (USA)Z experimentální expertizy ELI Beamlinesstejně jako cílová výroba a inženýrské odborné znalosti od General Atomics (USA). Projekt v hodnotě přibližně 1 000 000 USD, společně financovaný NSF a GACR, se bude konat na UC San Diego pod vedením profesora Alexeje Arefeeva. Dr. Cílový vývoj pro přehodnocenou sekvestraci. se bude konat v General Atomics pod vedením Maria Manuela, zatímco primární experimenty budou prováděny na paprskových linkách ELI pod vedením Dr. Florian Condamine a Dr. Dirigoval tým vedený Stephenem Weberem.

Koncept projektu vyvinula Arefievova výzkumná skupina na UC San Diego, která se specializuje na superpočítačové simulace extrémních interakcí světla a hmoty. Přístup k tomuto projektu využívá efekt, ke kterému dochází, když jsou elektrony v plazmatu urychlovány vysokoenergetickým laserem na rychlost blízkou rychlosti světla. Tento efekt se nazývá „relativní průhlednost“, protože činí dříve neprůhlednou hustou plazmu průhlednou pro laserové světlo.

V tomto režimu se generují velmi silná magnetická pole, když se laser šíří plazmatem. Během tohoto procesu v magnetickém poli oscilují relativistické elektrony, které způsobují emisi gama záření, převážně ve směru laseru.

„Je velmi vzrušující, že jsme schopni vytvořit magnetická pole, která se dříve nacházela pouze v extrémních astrofyzikálních objektech, jako jsou neutronové hvězdy,“ říká Arefeev. „schopnost ELI Beamlines Klíčem k dosažení tohoto režimu je, že lasery dosahují cílové intenzity.

Tyto experimenty poskytnou první statisticky relevantní studii produkce gama záření pomocí vysokoenergetických fotonů. Výzkumníci doufají, že to otevře cestu k sekundárním vysokoenergetickým fotonovým zdrojům, které lze použít nejen pro základní fyzikální studie, ale také pro důležité průmyslové aplikace, jako je věda o materiálech, zobrazování jaderného odpadu, hodnocení jaderného paliva a obrana. Hluboká penetrační radiografie s vysokým rozlišením atd. Takové „přebytečné zobrazování“ vyžaduje robustní, reprodukovatelné a dobře řízené zdroje gama záření. Cílem tohoto návrhu je rozvoj takových bezprecedentních zdrojů.

Testům výrazně pomůže další technologický pokrok. Až donedávna mohla vysoce výkonná laserová zařízení vypálit pouze jeden výstřel za hodinu, což omezovalo množství dat, která bylo možné shromáždit. Novější zařízení, jako jsou paprskové linky ELI, jsou však schopny pořídit více snímků za sekundu. Tyto schopnosti umožňují statistické studie interakcí laser-cíl způsoby, které před několika lety nebyly možné. To znamená, že pro plné využití potenciálu je nezbytná změna ve způsobu, jakým jsou takové experimenty navrženy a realizovány.

„Instalace P3 v ELI Beamlines je unikátní a všestranná testovací infrastruktura pro nejmodernější experimenty s vysokou propustností a byla přizpůsobena plánovanému projektu,“ komentuje Condamine. Weber poznamenává: „Očekává se, že tato spolupráce mezi San Diegem a ELI beamlines bude velkým krokem ke spojení americké komunity a týmu ELI pro společné experimenty.“

Klíčovou součástí tohoto projektu je proto vyškolit další generaci vědců na paprskových liniích ELI, aby vyvinuli techniky, které mohou plně využít jeho přehodnocené schopnosti. Studenti a postdoktorandští výzkumní pracovníci UC San Diego budou také trénovat na překalibrované zarovnání cíle a získávání dat v novém laserovém zařízení GALADRIEL společnosti General Atomics, aby pomohli zlepšit výkon experimentů prováděných na paprskových liniích ELI.

P3 (Plasma Physics Platform) – Instalace na paprskových liniích ELI, kde probíhají experimenty.

„Jde o první projekt financovaný Grantovou agenturou ČR a US National Science Foundation. Věřím, že nová spolupráce mezi agenturami povede k mnoha úspěšným projektům a že ze spolupráce budou těžit vědecké týmy z České republiky a Spojených států. Prezident GAČR Dr. říká Peter Baldrian.

Jsme rádi, že můžeme spolupracovat s našimi kolegy v České republice na dalším rozšiřování mezinárodní vědecké spolupráce v oblasti umělé inteligence, nanotechnologií a výzkumu plazmy. Jsem přesvědčen, že toto bude první z mnoha společných projektů mezi NSF a GAČR,“ říká Dr Sethuraman Panchanathan, ředitel NSF.