ELETTRONI ULTRAVELOCI RALLENTATI DALLA LUCE

Il fotone ha detto stop

Colpendo elettroni accelerati dal plasma con un laser ultra-intenso, i ricercatori hanno scoperto dinamiche che vanno oltre la fisica classica e suggeriscono effetti quantistici, trovando per la prima volta l'evidenza sperimentale dell'effetto di reazione alla radiazione

Illustrazione dell’effetto di “reazione alla radiazione”. Crediti: Imperial College London/Stuart Mangles

Quando la luce colpisce un oggetto, in parte viene riflessa dalla superficie dell’oggetto stesso, ma se l’oggetto si sta muovendo a una velocità estremamente alta, e se la luce è incredibilmente intensa, possono accadere cose strane. Cose che la fisica classica non riesce a spiegare. È così che elettroni in movimento colpiti da una luce molto intensa, contrariamente a quello che si potrebbe pensare, finiscono per rallentare il loro moto, perché indotti a irradiare l’energia incidente, elevatissima. I fisici chiamano questo processo reazione alla radiazione. Si pensa che questo fenomeno avvenga comunemente attorno a oggetti compatti come buchi neri e quasar (buchi neri super massicci circondati da un disco di gas). Pertanto, riuscire a misurare la reazione alla radiazione in laboratorio ci permetterebbe di ricavare informazioni sui processi che si verificano in alcuni degli ambienti più estremi dell’universo e comprendere la natura di questo fenomeno è interessante anche per i fisici che studiano effetti non spiegabili con la fisica classica, poiché le equazioni che tradizionalmente definiscono le forze che agiscono sugli oggetti (conosciute come equazioni di Maxwell) non permettono di descrivere tali ambienti estremi. Sebbene esistano diversi modelli per descrivere il moto delle particelle e l’emissione di fotoni in questo regime, la reazione alla radiazione non è mai stata osservata direttamente prima d’ora.

Per la prima volta, un team di ricercatori guidati dall’Imperial College di Londra ha eseguito un esperimento progettato per amplificare gli effetti della reazione di radiazione ad un livello misurabile, e ha concluso che è necessario questo fenomeno per spiegare i risultati osservati, pubblicati ieri sulla rivista Physical Review X.

I ricercatori hanno osservato questa reazione alla radiazione facendo collidere un raggio laser un quadrilione (un milione di miliardi) di volte più intenso della luce alla superficie del Sole, con un fascio di elettroni ad alta energia. Il team è stato in grado di rendere la luce incidente così intensa concentrandola su un punto molto piccolo (solo pochi micrometri, ossia milionesimi di metro) e fornendo tutta l’energia in un tempo molto breve (solo 40 femtosecondi, ossia 40 quadrilioni di secondo). Per rendere il fascio di elettroni sufficientemente piccolo da interagire con il laser focalizzato, il team ha usato una tecnica chiamata laser wakefield acceleration, che accelera gli elettroni utilizzando le onde del plasma azionate da impulsi laser, come se gli elettroni facessero surf sulle onde del plasma. L’esperimento, che ha richiesto estrema precisione e un sincronismo eccellente, è stato condotto utilizzando il laser Gemini presso il Science and Technology Facilities Council’s Central Laser Facility nel Regno Unito.

Schema del setup sperimentale. Tutti i componenti sono all’interno di una camera in cui è stato fatto il vuoto, tranne l’array Csl. Crediti: American Physical Society

I fotoni di luce riflessi da un oggetto che si muove a una velocità prossima a quella della luce hanno un’energia maggiore di quelli incidenti. Nelle condizioni estreme riprodotte in questo esperimento, questo fa si che la luce passi dal visibile (raggi incidenti) ai raggi gamma ad alta energia (raggi riflessi). Questo ha permesso ai ricercatori di sapere quando il laser aveva effettivamente colpito il fascio di elettroni. Stuart Mangles del Dipartimento di fisica dell’Imperial College, autore dell’articolo, ha detto: «Sapevamo di aver avuto successo nello scontrare i due fasci quando abbiamo rilevato una radiazione gamma ad alta energia».

Ma il vero e grande risultato è arrivato quando è stata misurata l’energia del fascio di elettroni dopo la collisione, scoprendo che era inferiore al previsto o, in altre parole, che gli elettroni avevano rallentato il loro moto, chiara prova della reazione alla radiazione. Il coautore dello studio, Alec Thomas, della Lancaster University e dell’Università del Michigan, ha così commentato la scoperta: «Trovo estremamente affascinante che gli elettroni vengano realmente fermati da un foglio di luce spesso quanto una frazione di un capello, come farebbe un millimetro di piombo. È davvero straordinario».

I dati ottenuti dall’esperimento concordano meglio con un modello teorico basato sui principi dell’elettrodinamica quantistica, piuttosto che sulle equazioni di Maxwell, fornendo potenzialmente alcune tra le prime prove dei modelli quantistici non ancora testati. Il professor Mattias Marklund della Chalmers University of Technology, in Svezia, il cui gruppo era coinvolto nello studio, ha dichiarato: «Testare le nostre previsioni teoriche è di fondamentale importanza per noi, specialmente nei nuovi regimi dove c’è ancora molto da imparare. Insieme alla teoria, questi esperimenti sono alla base della ricerca sui laser ad alta intensità nel dominio quantistico». Saranno necessari ulteriori esperimenti con intensità ancora maggiori e con fasci di elettroni di energia ancora più elevata per confermare il risultato trovato, che verranno effettuati dallo stesso team nel corso del prossimo anno.

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