US-amerikanische und tschechische Wissenschaftler arbeiten zusammen, um die Erzeugung von Gammastrahlen mit Hochleistungslasern zu erforschen

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Die USA Nationale Wissenschaftsstiftung (NSF) und die Tschechische Wissenschaftsstiftung (GACR) finanzieren ein neues Verbundprojekt von Wissenschaftlern der Universität von Kalifornien, San Diego in den USA u ELI-Beamlines (Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften) in der Tschechischen Republik, das darauf abzielt, die Fähigkeiten der Multi-Petawatt-Laseranlage von ELI Beamlines zu nutzen. Die Forscher hoffen, dass diese Experimente einen Durchbruch erzielen können, indem sie die effiziente Erzeugung dichter Gammastrahlen demonstrieren.

Stellare Objekte wie Pulsare können aufgrund ihrer extremen Energien Materie und Antimaterie direkt aus Licht erzeugen. Tatsächlich ist das Magnetfeld oder die „Magnetosphäre“ eines Pulsars mit Elektronen und Positronen gefüllt, die durch kollidierende Photonen erzeugt werden.

Dieselben Phänomene in einem Labor auf der Erde zu reproduzieren, ist eine große Herausforderung. Es erfordert eine dichte Photonenwolke mit Energien, die millionenfach höher sind als das sichtbare Licht, eine Leistung, die den auf diesem Gebiet tätigen Wissenschaftlern bisher verwehrt blieb. Theorien legen jedoch nahe, dass Hochleistungslaser in der Lage sein sollten, eine solche Photonenwolke zu erzeugen.

Als erste internationale Laserforschungsinfrastruktur, die sich der Anwendung von Hochleistungs- und Hochintensitätslasern widmet, werden die Einrichtungen der Extreme Light Infrastructure (ELI ERIC) solche Forschungsmöglichkeiten ermöglichen. Das ELI ERIC ist eine standortübergreifende Forschungsinfrastruktur, die auf den spezialisierten und komplementären Einrichtungen ELI Beamlines (Tschechische Republik) und ELI ALPS (Ungarn) basiert. Die neuen Fähigkeiten bei ELI werden die notwendigen Bedingungen schaffen, um die Theorien in einem Labor zu testen.

Supercomputersimulation der energiereichen Gammastrahlenemission (gelbe Pfeile) durch ein dichtes Plasma (grün), das von einem hochintensiven Laserstrahl (rot und blau) bestrahlt wird. Der Laser breitet sich von links nach rechts aus, wobei die emittierten Photonen in die gleiche Richtung fliegen. Die glatten blauen und roten Bereiche stellen ein vom Plasma erzeugtes starkes Magnetfeld dar, während der Oszillationsbereich dem Lasermagnetfeld entspricht.

Dieses Projekt vereint theoretische Expertise aus der University of California San Diego (USA)experimentelle Expertise aus ELI-Beamlinessowie Target-Fertigungs- und Engineering-Expertise von General Atomics (US). Das rund 1.000.000 US-Dollar teure Projekt, das gemeinsam von NSF und GACR finanziert wird, wird von Prof. Alexey Arefiev an der UC San Diego geleitet. Die Zielentwicklung für den wiederholten Einsatz wird bei General Atomics unter der Leitung von Dr. Mario Manuel stattfinden, während die primären Experimente bei ELI Beamlines von einem Team unter der Leitung von Dr. Florian Condamine und Dr. Stefan Weber durchgeführt werden.

Das Konzept für das Projekt wurde von Arefievs Forschungsgruppe an der UC San Diego entwickelt, die sich auf Supercomputer-Simulationen intensiver Licht-Materie-Wechselwirkungen spezialisiert hat. Der Ansatz für dieses Projekt nutzt einen Effekt, der auftritt, wenn Elektronen in einem Plasma durch einen Hochleistungslaser auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dieser Effekt wird „relativistische Transparenz“ genannt, weil er dazu führt, dass ein zuvor undurchsichtiges, dichtes Plasma für Laserlicht transparent wird.

In diesem Bereich werden extrem starke Magnetfelder erzeugt, wenn sich der Laser durch das Plasma ausbreitet. Dabei schwingen die relativistischen Elektronen im Magnetfeld, was wiederum zur Emission von Gammastrahlen führt, vorwiegend in Richtung des Lasers.

„Es ist sehr spannend, dass wir in der Lage sind, Magnetfelder zu erzeugen, die bisher nur in extremen astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen existierten“, sagt Arefiev. „Die Fähigkeit der ELI-Beamlines Laser, um eine sehr hohe Zielintensität zu erreichen, ist der Schlüssel zum Erreichen dieses Regimes.“

Diese Experimente werden die erste statistisch relevante Studie zur Erzeugung von Gammastrahlen unter Verwendung von Hochleistungslasern liefern. Die Forscher hoffen, dass die Arbeit den Weg für sekundäre hochenergetische Photonenquellen ebnen wird, die nicht nur für grundlegende physikalische Studien, sondern auch für eine Reihe wichtiger industrieller Anwendungen wie Materialwissenschaft, Nuklearabfall-Imaging, Kernbrennstoffanalyse, Sicherheit, hochauflösende Tiefenradiographie usw. Eine solche „extreme Bildgebung“ erfordert robuste, reproduzierbare und gut kontrollierte Gammastrahlenquellen. Der vorliegende Vorschlag zielt genau auf die Entwicklung solcher beispielloser Quellen ab.

Die Experimente werden durch einen weiteren technologischen Fortschritt stark unterstützt. Bis vor kurzem konnten Hochleistungslaseranlagen etwa einen Schuss pro Stunde ausführen, was die zu sammelnde Datenmenge begrenzte. Neue Einrichtungen wie ELI Beamlines sind jedoch in der Lage, mehrere Aufnahmen pro Sekunde zu machen. Diese Fähigkeiten ermöglichen statistische Untersuchungen von Laser-Target-Wechselwirkungen auf eine Weise, die noch vor wenigen Jahren unmöglich war. Das bedeutet, dass eine Änderung der Art und Weise, wie solche Experimente konzipiert und durchgeführt werden, notwendig ist, um die Möglichkeiten voll auszuschöpfen.

„Die P3-Installation bei ELI Beamlines ist eine einzigartige und vielseitige experimentelle Infrastruktur für anspruchsvolle Hochfeldexperimente und perfekt an das geplante Programm angepasst“, kommentiert Condamine. Weber merkt an: „Diese Zusammenarbeit zwischen San Diego und ELI Beamlines wird voraussichtlich ein großer Schritt nach vorne sein, um die US-Community und das ELI-Team für gemeinsame Experimente zusammenzubringen.“

Daher bildet ein Großteil dieses Projekts die nächste Generation von Wissenschaftlern bei ELI Beamlines aus, um Techniken zu entwickeln, die ihre bewährten Fähigkeiten voll ausschöpfen können. Studenten und Postdoktoranden der UC San Diego werden außerdem in der neuen GALADRIEL-Laseranlage von General Atomics über den Einsatz von wiederholt bewerteten Zielen und die Datenerfassung trainieren, um die Effizienz der Experimente zu verbessern, die an den ELI-Beamlines durchgeführt werden.

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Die P3 (Plasma Physics Platform)-Installation an ELI Beamlines, wo die Experimente stattfinden werden.

„Dies ist das erste Projekt, das von der Czech Science Foundation und der US National Science Foundation finanziert wird. Ich glaube, dass die neue Zusammenarbeit zwischen den Agenturen zu einer Reihe erfolgreicher Projekte führen wird und die kooperierenden wissenschaftlichen Teams aus der Tschechischen Republik und den USA davon profitieren werden.“ sagt GACR-Präsident Dr. Petr Baldrian.

„Wir freuen uns sehr, mit unseren Kollegen in der Tschechischen Republik zusammenzuarbeiten, um die internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit in den Bereichen künstliche Intelligenz, Nanotechnologie und Plasmaforschung weiter auszubauen. Ich bin optimistisch, dass dies das erste von vielen Kooperationsprojekten zwischen NSF und GACR sein wird,“, sagt der Direktor der NSF, Dr. Sethuraman Panchanathan.