అల్ట్రా-బ్రైట్ గామా కిరణాలను ఉత్పత్తి చేసే మల్టీ-పెటావాట్ లేజర్‌తో నాన్‌లీనియర్ కాంప్టన్ స్కాటరింగ్

నాన్‌లీనియర్ కాంప్టన్ స్కాటరింగ్‌కు ఒకే అధిక-శక్తి గామా-రే ఫోటాన్‌ను విడుదల చేస్తున్నప్పుడు బహుళ లేజర్ ఫోటాన్‌లను గ్రహించడానికి ఎలక్ట్రాన్ అవసరం. ఈ దృగ్విషయాన్ని గమనించడానికి, పరిశోధకులు “ష్వింగర్ పరిమితి”ని సంప్రదించారు — సైద్ధాంతిక లేజర్ తీవ్రత (2×10²⁹ W/సెం.మీ²) పదార్థం-యాంటీమాటర్ జతలను ఉత్పత్తి చేయడం కోసం ఇది స్థల-సమయం యొక్క శూన్యతను “మరుగు” చేస్తుంది. CoReLS ద్వారా ప్రదర్శించబడిన ప్రపంచంలోని అత్యధిక లేజర్ తీవ్రతకు సంబంధించిన ప్రస్తుత రికార్డు ఇప్పటికీ ఈ థ్రెషోల్డ్ కంటే మిలియన్ రెట్లు దిగువన ఉన్నందున, బృందం ప్రత్యామ్నాయాన్ని ఉపయోగించింది: అల్ట్రా-సాపేక్ష ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ అల్ట్రాహై ఇంటెన్సిటీ లేజర్ పల్స్‌తో ఢీకొని, ఐన్‌స్టీన్ యొక్క సిద్ధాంతాన్ని ఉపయోగించుకుంటుంది. సాపేక్షత. ఎలక్ట్రాన్ యొక్క రిఫరెన్స్ ఫ్రేమ్‌లో, లేజర్ తీవ్రత ష్వింగర్ పరిమితిలో దాదాపు 50% ఉన్నట్లు కనిపించింది, ఇది నాన్ లీనియర్ QED దృగ్విషయాలను ప్రేరేపిస్తుంది.

శాస్త్రవేత్తలు CoReLS PW లేజర్‌ను ఉపయోగించి ప్రయోగాల శ్రేణిని నిర్వహించారు. లేజర్ పుంజం రెండు కిరణాలుగా విభజించబడింది, ప్రతి ఒక్కటి విభిన్న పాత్రలను అందిస్తాయి. మొదటి పుంజం 5-సెంటీమీటర్ల పొడవు గల వాయువుతో నిండిన సెల్‌పై కేంద్రీకరించబడింది, అక్కడ అది ఎలక్ట్రాన్‌ల “లేజర్ వేక్‌ఫీల్డ్ యాక్సిలరేషన్” (LWFA)ని ప్రేరేపించింది. త్వరణం యొక్క ఈ విధానంలో, ఎలక్ట్రాన్లు లేజర్-ఉత్పత్తి చేయబడిన ప్లాస్మా తరంగాన్ని “సర్ఫ్” చేస్తాయి, కాంతి వేగంలో 3 GeV — 99.999999% వరకు శక్తిని పొందుతాయి. రెండవ పుంజం 2-మైక్రాన్ వ్యాసం (జుట్టు వ్యాసంలో కొన్ని%)పై దృష్టి కేంద్రీకరించబడిన కాంతి యొక్క ఫ్లాష్, ఇది కేవలం 20 ఫెమ్టోసెకన్లు మాత్రమే ఉంటుంది (ఒక ఫెమ్టోసెకన్ సెకనులో మిలియన్ వంతులో బిలియన్ వంతును సూచిస్తుంది). ఈ పుంజం గ్యాస్ సెల్‌లోని ప్లాస్మా నుండి బయటకు వచ్చే వేగవంతమైన ఎలక్ట్రాన్‌లతో ఢీకొనేలా నిర్దేశించబడింది.

కొన్ని మైక్రాన్లు మరియు 10 ఫెమ్టోసెకన్లలో ఢీకొనడానికి అవసరమైన ఖచ్చితమైన అతివ్యాప్తిని సాధించడం వలన, లేజర్ పల్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లను “షేక్” చేయడానికి అనుమతించింది, ఇది 400 లేజర్ ఫోటాన్‌ల వరకు బౌన్స్ చేయబడి, వాటిని ఏకకాలంలో గ్రహిస్తుంది. శోషించబడిన శక్తి పదుల నుండి వందల మెగాఎలెక్ట్రాన్ వోల్ట్‌ల పరిధిలో శక్తితో ఒకే అధిక-శక్తి గామా-రే ఫోటాన్‌గా విడుదల చేయబడింది.

ఇతర ఎక్స్-రే మరియు గామా-రే నేపథ్యాలు కొలతలకు అంతరాయం కలిగించకుండా చూసేందుకు, మోంటే-కార్లో అనుకరణల సహాయంతో గామా-రే శక్తిని పరిశోధకులు జాగ్రత్తగా వర్గీకరించారు. వారు సైద్ధాంతిక అంచనాలకు వ్యతిరేకంగా గామా-రే సంతకాలను ధృవీకరించారు మరియు ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను విశ్లేషణాత్మక నమూనాలు మరియు సూపర్‌కంప్యూటర్‌లను ఉపయోగించి ప్రదర్శించిన కణ-ఇన్-సెల్ అనుకరణలతో పోల్చారు. ప్రయోగం మరియు అనుకరణ మధ్య ఒప్పందం నాన్‌లీనియర్ కాంప్టన్ స్కాటరింగ్ సంభవించడాన్ని నిర్ధారించింది మరియు గామా-రే సంకేతాల నుండి దాని “వేలిముద్ర”ను సంగ్రహించడం ద్వారా ఢీకొనే లేజర్ తీవ్రతను తగ్గించడానికి జట్టును అనుమతించింది.

పెద్ద సంఖ్యలో ఘర్షణల కారణంగా, ప్రయోగాలలో ఉత్పత్తి చేయబడిన గామా-రే పుంజం ఈ శక్తి ప్రమాణంలో ప్రయోగశాలలలో గతంలో సాధించిన దానికంటే 1,000 రెట్లు ప్రకాశవంతంగా ఉంది. ఎలక్ట్రాన్-పాజిట్రాన్ జతలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఫోటాన్-ఫోటాన్ ఘర్షణలను అన్వేషించడానికి బ్రీట్-వీలర్ ప్రక్రియ వంటి అణు ప్రక్రియలను అధ్యయనం చేయడం మరియు యాంటీమాటర్ ఉత్పత్తిని అర్థం చేసుకోవడంలో ఈ పురోగతి సంభావ్య అనువర్తనాలను కలిగి ఉంది.

నేచర్ ఫోటోనిక్స్‌లో ప్రచురించబడిన ఈ పరిశోధన, బలమైన బ్యాక్‌గ్రౌండ్ ఫీల్డ్‌లలో క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ (QED)ని అర్థం చేసుకునే విస్తృత ప్రయత్నంలో భాగం, దీనిని స్ట్రాంగ్-ఫీల్డ్ క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ అని కూడా పిలుస్తారు. పరిశోధన సాధారణంగా మాగ్నెటార్స్, సూపర్నోవాలు మరియు బ్లాక్ హోల్స్ సమీపంలోని ప్రాంతాల వంటి ఖగోళ భౌతిక వస్తువులలో కనిపించే ప్రయోగశాల దృగ్విషయాలను అనుకరించగలదు. లేజర్-ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ తాకిడిని ఉపయోగించి మొదటి అధ్యయనం 1996లో SLACలో జరిగింది, అయితే కిలోమీటరు పొడవు గల యాక్సిలరేటర్ మరియు చాలా తక్కువ తీవ్రత కలిగిన లేజర్‌ను ఉపయోగించడం జరిగింది. DESY (LUXE ప్రాజెక్ట్, జర్మనీ), SLAC (FACET II, ​​USA), మరియు అపోలోన్ (ఫ్రాన్స్), స్టేషన్ ఫర్ ఎక్స్‌ట్రీమ్ లైట్ (చైనా), ELI- వంటి రాబోయే బహుళ-పెటావాట్ లేజర్ సౌకర్యాల వంటి యాక్సిలరేటర్ సౌకర్యాలలో కూడా ఇలాంటి ప్రయోగాలు ప్లాన్ చేయబడ్డాయి. NP (రొమేనియా), ELI-బీమ్‌లైన్స్ (చెక్ రిపబ్లిక్), లేదా ఒమేగా EP OPAL (U. రోచెస్టర్) మరియు ZEUS (U. మిచిగాన్, USA).