Эксперименты дают первые доказательства того, что свет может остановить электроны

Через столкновение электронов с ультра-интенсивным лазером исследователи обнаружили динамику, которая выходит за рамки «классической» физики и намекает на квантовые эффекты.

Когда свет попадает на объект, часть света рассеивается с поверхности объекта. Однако, если объект движется очень быстро, и если свет невероятно интенсивный, могут произойти странные вещи.

Например, электроны могут фактически замедляться, потому что они излучают слишком много энергии. Физики называют этот процесс «радиационной реакцией».

Считается, что эта реакция излучения происходит вокруг объектов, таких как черные дыры и квазары. Таким образом, возможность измерения радиационной реакции в лаборатории обеспечит понимание процессов, которые происходят в некоторых из самых экстремальных сред во Вселенной.

Реакция излучения также интересна физикам, изучающим эффекты, выходящие за рамки «классической» физики, поскольку уравнения (известные как уравнения Максвелла), которые традиционно определяют силы, действующие на объекты, в этих экстремальных средах ослабевают.

Группа исследователей, возглавляемая Имперским колледжем Лондона, впервые продемонстрировала реакцию радиации в лаборатории. Их результаты опубликованы сегодня в журнале Physical Review X.

Они смогли наблюдать радиационную реакцию, путем столкновения лазерного луча в один квадриллион (миллиард миллионов) раз ярче света на поверхности Солнца с с высокоэнергетическим пучком электронов. Эксперимент, требующий предельной точности и времени, был достигнут с использованием лазерного излучения Gemini в Центральном лазерном центре Совета по науке и технике в Великобритании.

Фотоны света, отражающиеся от объекта, движущегося близко к скорости света, увеличивают свою энергию. В экстремальных условиях эксперимента это смещает отраженный свет от видимой части спектра вплоть до высокоэнергетических гамма-лучей. Этот эффект позволяет исследователям знать, когда они успешно произвели столкновение.

Старший автор исследования доктор Стюарт Манглз сказал: «Мы знали, что нам удалось произвести столкновение, когда мы обнаружили очень яркое гамма-излучения высокой энергии. « Мы обнаружили, что эти успешные столкновения имели более низкую, чем ожидалось, энергию электронов, что является явным свидетельством радиационной реакции».

Данные эксперимента также лучше согласуются с теоретической моделью, основанной на принципах квантовой электродинамики, а не на уравнениях Максвелла, что потенциально дает некоторые из первых доказательств ранее непроверенных квантовых моделей.

Однако для подтверждения того, действительно ли это так, потребуются дополнительные эксперименты с еще большей интенсивностью или с пучками электронов с более высокой энергией. Команда будет проводить эти эксперименты в следующем году.

Команда ученых смогла сделать свет настолько интенсивным в текущем эксперименте, сосредоточив его на очень маленьком участке (всего несколько микрометров миллионных долей метра) и доставляя всю энергию за очень короткую продолжительность (всего 40 фемтосекунд: 40 квадриллионов в секунду).

Чтобы сделать электронный пучок достаточно малым для взаимодействия с фокусированным лазером, команда использовала метод, называемый «ускорение лазерного волнового поля».

Больше информации: ‘Experimental evidence of radiation reaction in the collision of a high-intensity laser pulse with a laser-wakefield accelerated electron beam’ by J. M. Cole et al. is published in Physical Review X.