I Fisici stanno progettando di costruire un laser così potente che potrebbero essere in grado di “rompere il vuoto”
Un nuovo tipo di laser ad altissima energia potrebbe essere in grado di creare particelle dal vuoto quantico.
All’interno di un laboratorio angusto a Shanghai, in Cina, il fisico Ruxin Li e i colleghi stanno infrangendo i record sugli impulsi di luce più potenti che il mondo abbia mai visto. Nel cuore del loro laser, chiamato Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF), si trova un singolo cilindro di zaffiro in titanio drogato largo all’incirca quanto un frisbee. Dopo aver accumulato la luce nel cristallo e averla filtrata attraverso un sistema di lenti e specchi, il SULF la distilla in impulsi di potenza incredibile.
Nel 2016 ha raggiunto 5,3 milioni di miliardi di watt (PW), un record senza precedenti. Tuttavia le luci a Shanghai non si oscurano ogni volta che il laser è in funzione. Questo poiché anche se gli impulsi sono straordinariamente potenti, sono anche infinitesimalmente brevi e durano meno di un trilione di secondo. I ricercatori stanno ora aggiornando il loro laser e sperano di battere il proprio record entro la fine di quest’anno con un colpo di 10-PW, che impacchetterebbe più di 1000 volte la potenza di tutte le reti elettriche del mondo combinato.
Le ambizioni del gruppo non finiscono qui. Quest’anno, Li e colleghi hanno intenzione di iniziare a costruire un laser da 100 PW noto come Station of Extreme Light (SEL). Entro il 2023, potrebbe essere sprigionare impulsi in una camera alla profondità di 20 metri, sottoponendo i bersagli a temperature e pressioni estreme che normalmente non si trovano sulla Terra, un vantaggio per gli astrofisici e gli scienziati dei materiali. Il laser potrebbe anche rappresentare un nuovo metodo per accelerare le particelle per l’uso in medicina e fisica ad alta energia.
Ma la cosa più seducente, dice Li, sarebbe mostrare che la luce potrebbe estrarre elettroni e loro omologhi di antimateria, positroni, dallo spazio vuoto, un fenomeno noto come “rottura del vuoto”. Sarebbe un esempio lampante che la materia e l’energia siano di base un’unica entità, come afferma la famosa equazione E=mc² di Albert Einstein.
Anche se le armi nucleari sono basate sul principio di conversione della materia in enormi quantità di calore e luce, fare il contrario non è così facile. Ma Li dice che il SEL è all’altezza del compito. “Sarebbe molto emozionante,” dice. “Significherebbe generare qualcosa dal nulla.”
Il gruppo cinese “sta sicuramente aprendo la strada” verso il 100-PW, dice Philip Bucksbaum, fisico atomico della Stanford University di Palo Alto, California. Ma c’è molta concorrenza. Nei prossimi anni, in Romania e nella Repubblica Ceca, i dispositivi da 10 PW dovrebbero essere attivati nell’ambito della Extreme Light Infrastructure europea, anche se il progetto ha recentemente rimandato l’obiettivo di costruire un dispositivo da 100 PW. I fisici in Russia hanno elaborato un progetto per un laser da 180 PW noto come Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS), mentre i ricercatori giapponesi hanno presentato proposte per un dispositivo da 30 PW.
In gran parte mancanti nel settore dei laser ad alta potenza sono gli scienziati statunitensi, che sono rimasti indietro, secondo uno studio pubblicato da un gruppo delle National Academies delle Scienze, dell’Ingegneria e della Medicina presieduto da Bucksbaum. Lo studio invita il Dipartimento di Energia (DOE) a pianificare almeno un impianto laser ad alta potenza, e questo dà speranza ai ricercatori dell’Università di Rochester a New York, che stanno sviluppando piani per un laser da 75-PW, basato su amplificatori ottici parametrici (OPAL). potrebbe utilizzare le e beamline di OMEGA-EP, uno dei laser più potenti del Paese. “Il rapporto dell’Università è incoraggiante,” dice Jonathan Zuegel, a capo dell’OPAL.
Inventato nel 1960, il laser utilizza una “pompa” esterna, come una lampada flash, per eccitare elettroni all’interno degli atomi di un materiale stabile, solitamente un gas, cristallo o semiconduttore. Quando uno di questi elettroni eccitati ritorna al suo stato originale emette un fotone, che a sua volta stimola un altro elettrone ad emettere un fotone, e così via.
A differenza dei fasci di diffusione di una torcia elettrica, i fotoni di un laser fuoriescono in un flusso strettamente concentrato a determinate lunghezze d’onda. Poiché la potenza equivale a energia divisa per tempo, ci sono fondamentalmente due modi per massimizzarla: o aumentare l’energia del laser, o ridurre la durata dei suoi impulsi. Negli anni Settanta, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in California si sono concentrati sul primo, stimolando l’ energia laser attraverso l’instradamento di fasci di raggi mediante cristalli aggiuntivi in vetro drogato con neodimio.
I raggi al di sopra di una certa intensità, tuttavia, possono danneggiare gli amplificatori. Per evitare questo, LLNL ha dovuto rendere gli amplificatori sempre più grandi, molte decine di centimetri di diametro. Ma nel 1983 Gerard Mourou, ora all’École Polytechnique vicino a Parigi, e i suoi colleghi hanno fatto una svolta. Egli si rese conto che un breve impulso laser poteva essere prolungato nel tempo rendendolo meno intensa da un reticolo di diffrazione che divide l’impulso nelle sue varie componenti cromatiche. Dopo essere stato amplificata in modo sicuro con energie superiori, la luce poteva essere ricompressa con un secondo reticolo. Il risultato finale: un impulso più potente e un amplificatore intatto.
Questa “amplificazione a frazione di impulsi” è diventata un elemento fondamentale dei laser ad alta potenza. Nel 1996, ha permesso ai ricercatori LLNL di generare il primo impulso petawatt al mondo con il laser Nova. Da allora, LLNL ha spinto verso energie più elevate nella ricerca della fusione nucleare laser. Il National Ignition Facility (NIF) del laboratorio crea impulsi con una gigantesca energia negli ordini di 1,8 megajoule nel tentativo di riscaldare minuscole capsule di idrogeno alle temperature di fusione. Tuttavia, questi impulsi sono relativamente lunghi e generano ancora solo circa 1 PW di potenza.
Per arrivare a potenze superiori, gli scienziati si sono rivolti al dominio del tempo: impacchettare l’energia di un impulso in durate sempre più brevi.
Un approccio consiste nell’amplificare la luce in cristalli di zaffiro drogati al titanio, che producono luce con un ampio spettro di frequenze. In una camera laser a specchio, quegli impulsi rimbalzano avanti e indietro, e le singole componenti di frequenza possono essere generate per cancellarsi a vicenda su gran parte della loro lunghezza d’onda, mentre si amplificano a vicenda in un in un range temporale di poche decine di femtosecondi.
Amplificando quegli impulsi con poche centinaia di joule di energia si ottengono 10 PW di potenza di picco. Questo è il modo in cui il SULF e altri laser a base di zaffiro infrange i record di potenza con apparecchiature grandi quanto una stanza e dal prezzo di qualche decine di milioni di dollari, mentre NIF costa 3,5 miliardi di dollari e ha bisogno di un edificio 10 piani di altezza che copre l’area di tre campi da footbal americano.
Aumentare la potenza dell’impulso di un altro ordine di grandezza, da 10 PW a 100 PW, richiederà più procedure guidate. Un approccio è quello di aumentare l’energia dell’impulso da centinaia a migliaia di joule. Ma i laser in titanio e zaffiro faticano a supportare queste energie perché i grandi cristalli necessari per un’amplificazione senza danni tendono a deformarsi ad angolo retto rispetto al fascio di luce e quindi a dissipare l’ energia degli impulsi.
Così gli scienziati di SEL, XCELS e OPAL ripongono le loro speranze in quelli che sono noti come amplificatori ottici parametrici. Questi prendono un impulso allungato da una griglia ottica e lo inviano in un cristallo artificiale “non lineare”, nel quale l’energia di un secondo fascio “pompa” può essere incanalata nell’impulso. La ricompressione del risultante impulso ad alta energia aumenta la sua potenza.
Per avvicinarsi a 100 PW, un’opzione è quella di combinare diversi impulsi di questo tipo — quattro impulsi da 30 PW nel caso del SEL e una dozzina di impulsi 15-PW nel XCELS. Ma ottenere impulsi precisamente sovrapposti in una decina di femtosecondi sarà “molto, molto difficile”, dice il fisico del laser LLNL Constantin Haefner. Essi potrebbero essere deviati fuori dalla traiettoria anche dalla più piccola vibrazione o cambiamento di temperatura, sostiene. L’OPAL, invece, tenterà di generare 75 PW utilizzando un solo fascio.
Mourou prevede un percorso diverso a 100 PW: aggiungere un secondo ciclo di compressione dell’impulso. Propone di utilizzare film plastici sottili per ampliare lo spettro degli impulsi laser 10-PW, poi spremere gli impulsi fino a un paio di femtosecondi per aumentare la loro potenza a circa 100 PW.
Una volta che i costruttori di laser avranno raggiunto la potenza desiderata, si profila un’altra sfida: portare i raggi ad una messa a fuoco singolarmente stretta. Molti scienziati si preoccupano più dell’ intensità, la potenza per unità di superficie, che del numero totale di petawatt. Se si raggiunge una messa a fuoco più nitida, l’intensità sale. Se un impulso da 100 PW può essere focalizzato in un punto di misura di soli 3 micrometri, come Li sta progettando per SEL, l’intensità in quella piccola area sarà di 1024 watt per centimetro quadrato (W/cm2) — circa 25 ordini di grandezza, o 10 trilioni di miliardi di volte, più intenso della luce solare che colpisce la Terra.
Queste intensità apriranno la possibilità per il fenomeno di rottura del vuoto. Secondo la teoria dell’elettrodinamica quantistica (QED), che descrive come i campi elettromagnetici interagiscono con la materia, il vuoto non è vuoto come ci vorrebbe far credere la fisica classica. Su scale temporali estremamente brevi, coppie di elettroni e positroni, le antiparticelle degli elettroni, sfarfallano nell’esistenza, nate dall’incertezza meccanica quantistica. A causa della loro attrazione reciproca, si annichiliscono non appena si formano.
Ma un laser molto intenso potrebbe, in linea di principio, separare le particelle prima che si scontrino. Come qualsiasi onda elettromagnetica, un raggio laser trasporta un campo elettrico che oscilla. Con l’aumentare dell’intensità del fascio, aumenta anche la forza del suo campo elettrico. A intensità intorno a 1024 W/cm2, il campo sarebbe abbastanza forte per iniziare a rompere l’attrazione reciproca tra alcune coppie di elettroni-positroni, dice Alexander Sergeev, ex direttore dell’Istituto di Fisica Applicata (IAP) dell’Accademia Russa delle Scienze (RAS) a Nizhny Novgorod e ora presidente di RAS. Il campo propagato dal laser potrebbe mettere in oscillazioni le particelle, premettendogli di emettere onde elettromagnetiche in questo caso, raggi gamma.A loro volta i raggi gamma genererebbero nuove coppie di elettroni-positroni, e così via, provocando una valanga di particelle e radiazioni che potrebbero essere rilevate.
“Questa sarà una fisica completamente nuova,” dice Sergeev. Egli aggiunge che i fotoni a raggi gamma sarebbero abbastanza energetici da spingere i nuclei atomici in stati eccitati, inaugurando un nuovo ramo della fisica noto come “fotonica nucleare”- l’uso della luce intensa per controllare i processi nucleari.
Un modo per verificare il fenomeno di “rottura del vuoto” consisterebbe semplicemente nel concentrare un singolo raggio laser su un punto vuoto all’interno di una camera a vuoto. Ma la collisione di due fasci rende tutto ciò più facile, perché questo incrementa l’energia necessaria per generare la massa di elettroni e positroni. Il SEL permetterebbe la collisione di fotoni indirettamente. In primo luogo, gli impulsi espellono elettroni da un bersaglio di gas elio. Altri fotoni provenienti dal raggio laser rimbalzerebbero sugli elettroni e verrebbero potenziati in raggi gamma ad alta energia. Alcuni di questi, a loro volta, si scontrerebbero con i fotoni ottici del fascio.
Documentare queste collisioni fotoniche frontali sarebbe di per sé un grande risultato scientifico.
Mentre la fisica classica insiste sul fatto che due fasci di luce passano l’uno attraverso l’altro incontaminati, alcune delle prime previsioni di QED stabiliscono che i fotoni convergenti si diffondono occasionalmente. “Le previsioni risalgono ai primi anni Trenta,” dice Tom Heinzl, fisico teorico della Plymouth University nel Regno Unito. “Sarebbe bene se potessimo confermarli sperimentalmente.”
Oltre a rendere i laser più potenti, i ricercatori vogliono anche farli sparare più velocemente. Le lampade flash che pompano l’energia iniziale in molti laser devono essere raffreddate per minuti o ore tra uno scatto e l’altro, rendendo difficile effettuare ricerche che si basano su molti dati, come indagare se, occasionalmente, i fotoni si trasformano in particelle della misteriosa materia oscura che si ritiene costituisca gran parte della massa dell’Universo. “Probabilmente avremmo bisogno di un sacco di impulsi per vederlo,” dice Manuel Hegelich, fisico dell’Università del Texas ad Austin.
Un tasso di ripetizione più elevato è anche la chiave per utilizzare un laser ad alta potenza per pilotare fasci di particelle. In uno schema, un fascio intenso trasformerebbe un bersaglio metallico in un plasma, liberando elettroni che, a loro volta, espellerebbero protoni dai nuclei sulla superficie del metallo.
I medici potrebbero usare questi impulsi protonici per distruggere i tumori e un tasso di “bruciatura” più elevato faciliterebbe la somministrazione del trattamento in piccole dosi individuali.
I fisici, da parte loro, sognano gli acceleratori di particelle alimentati da impulsi laser a fuoco rapido. Quando un intenso impulso laser colpisce un plasma di elettroni e ioni positivi, accelera gli elettroni più leggeri, separando le cariche e creando un campo elettrico secondario che attira gli ioni dietro la luce come l’acqua sulla scia di un motoscafo. Questa “accelerazione laser di campo” può accelerare particelle cariche ad alte energie nello spazio di un millimetro o due, rispetto ai molti metri necessari per gli acceleratori convenzionali. Un FEL alimentato a laser potrebbe essere molto più compatto ed economico di quelli azionati da acceleratori convenzionali.
A lungo termine, gli elettroni accelerati da impulsi PW ad alta ripetizione potrebbero ridurre il costo della macchina dei sogni dei fisici delle particelle: un collisore di elettroni e positroni lungo 30 kilometri che sarebbe un successore del Large Hadron Collider del CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle vicino a Ginevra, Svizzera. Un dispositivo basato su un laser da 100-PW potrebbe essere almeno 10 volte più corto e più economico di quello previsto oggi, dice Stuart Mangles, fisico del plasma dell’ Imperial College London.
Sia il collisione lineare che i FEL a fuoco rapido avrebbero bisogno di migliaia, se non milioni, di colpi al secondo, ben oltre l’attuale tecnologia. Una possibilità, studiata da Mourou e colleghi, è quella di cercare di combinare l’uscita di migliaia di amplificatori a fibre ottiche che non hanno bisogno di essere pompati con tubi flash. Un’altra opzione è quella di sostituire i tubi flash con laser a diodi, che sono costosi, ma potrebbero diventare più economici con la produzione di massa.
Per il momento, tuttavia, il gruppo Li in Cina e le controparti statunitensi e russe si stanno concentrando sulla potenza. Efim Khazanov, un fisico dei laser presso l’IAP, dice che il XCELS potrebbe essere in funzione già dal 2026 — supponendo che il governo approvi il costo: circa 12 miliardi di rubli (circa $200 milioni di euro). L’OPAL, nel frattempo, sarebbe un affare relativo tra i 50 e i 100 milioni di dollari, dice Zuegel.
Ma il primo laser che sarà in grado di rompere il vuoto è probabile che sia il SEL, in Cina. Un comitato internazionale di scienziati lo scorso luglio ha descritto il design concettuale del laser come “inequivocabile e convincente”, e Li spera di ottenere l’approvazione del governo per il finanziamento — circa 100 milioni di dollari — all’inizio di quest’anno. Li dice che altri paesi non devono sentirsi lasciati nell’ombra come in questo campo perché il SEL opererà come una struttura disponibili agli utenti internazionali. Zuegel dice che “non gli piace essere secondo”, ma riconosce che il gruppo cinese è in una posizione forte. “La Cina ha un sacco di dollari,” dice. “E ha un sacco di persone davvero intelligenti. Sta ancora recuperando molto della tecnologia, ma sta recuperando velocemente.”
Tradotto in Italiano. Articolo originale: Science
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