Une méthode prometteuse pour produire et observer sur Terre un processus important pour les trous noirs, des explosions de supernova et d'autres événements cosmiques extrêmes ont été proposés par des scientifiques du Département des sciences astrophysiques de l'Université de Princeton, Laboratoire national d'accélération du SLAC, et le laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE). Le processus, appelées cascades électrodynamiques quantiques (QED), peut conduire à des supernovas - des étoiles explosives - et à des sursauts radio rapides qui équivalent en millisecondes à l'énergie que le soleil émet en trois jours.

Première démonstration

Les chercheurs ont produit la première démonstration théorique selon laquelle la collision d'un laser de laboratoire avec un faisceau d'électrons dense peut produire des cascades QED à haute densité. "Nous montrons que ce que l'on croyait impossible est en fait possible, " dit Kenan Qu, auteur principal d'un article dans Physical Review Letters (PRL) qui décrit la démonstration révolutionnaire. "Cela suggère à son tour comment des effets collectifs auparavant non observés peuvent être sondés avec les technologies de pointe laser et de faisceau d'électrons existantes."

Le processus se déroule de manière simple. La collision d'une forte impulsion laser avec un faisceau d'électrons à haute énergie divise le vide en paires électron-positon à haute densité qui commencent à interagir les unes avec les autres. Cette interaction crée ce que l'on appelle des effets de plasma collectifs qui influencent la façon dont les paires répondent collectivement aux champs électriques ou magnétiques.

Plasma, le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, représente 99 pour cent de l'univers visible. Le plasma alimente les réactions de fusion qui alimentent le soleil et les étoiles, un processus que PPPL et les scientifiques du monde entier cherchent à développer sur Terre. Les processus plasmatiques dans tout l'univers sont fortement influencés par les champs électromagnétiques.

L'article PRL se concentre sur la force électromagnétique du laser et l'énergie du faisceau d'électrons que la théorie rassemble pour créer des cascades QED. "Nous cherchons à simuler les conditions qui créent des paires électron-positon avec une densité suffisante pour qu'elles produisent des effets collectifs mesurables et voyons comment vérifier sans ambiguïté ces effets, " Qu a dit.

Les tâches consistaient à découvrir la signature d'une création de plasma réussie grâce à un processus QED. Les chercheurs ont trouvé la signature dans le passage d'un laser d'intensité modérée à une fréquence plus élevée provoquée par la proposition d'envoyer le laser contre un faisceau d'électrons. "Cette découverte résout le problème commun de produire le régime plasma QED le plus facilement et de l'observer le plus facilement, " Qu a dit. " La quantité de décalage varie en fonction de la densité du plasma et de l'énergie des paires. "

Au-delà des capacités actuelles

La théorie a précédemment montré que des lasers ou des champs électriques ou magnétiques suffisamment puissants pouvaient créer des paires QED. Mais les amplitudes requises sont si élevées qu'elles dépassent les capacités actuelles des laboratoires.

Cependant, "Il s'avère que la technologie actuelle des lasers et des faisceaux relativistes [qui voyagent près de la vitesse de la lumière], si co-localisé, suffit pour accéder et respecter ce régime, " a déclaré le physicien Nat Fisch, professeur de sciences astrophysiques et directeur associé des affaires académiques au PPPL, et co-auteur de l'article du PRL et chercheur principal du projet. "Un point clé est d'utiliser le laser pour ralentir les paires afin que leur masse diminue, augmentant ainsi leur contribution à la fréquence du plasma et augmentant les effets collectifs du plasma, " Fisch a déclaré. " Co-localiser les technologies actuelles est beaucoup moins cher que la construction de lasers super-intense, " il a dit.

Ce travail a été financé par des subventions de la National Nuclear Security Administration et de l'Air Force Office of Scientific Research. Les chercheurs se préparent maintenant à tester les résultats théoriques au SLAC à l'Université de Stanford, où un laser moyennement puissant est en cours de développement et la source de faisceaux d'électrons est déjà là. le physicien Sebastian Meuren, un co-auteur de l'article et un ancien visiteur post-doctoral à PPPL qui est maintenant au SLAC, est au cœur de cet effort.

"Comme la plupart des recherches en physique fondamentale, cette recherche vise à satisfaire notre curiosité pour l'univers, " Qu a dit. "Pour la communauté en général, un grand impact est que nous pouvons économiser des milliards de dollars de recettes fiscales si la théorie peut être validée."