ELI a testy kvantové elektrodynamiky

Věřili byste tomu, že se částice světla mohou přeměnit v hmotu? Že se i prázdné vakuum pod vlivem extrémních laserových polí začne chovat jako krystal, který láme světlo do dvou různých směrů? Tyto i další jevy, které znějí jako ze sci-fi, předpovídá kvantová elektrodynamika (QED), jedna z nejúspěšnějších fyzikálních teorií vůbec. QED popisuje interakci nabitých částic jak mezi sebou, tak se světlem. Její základy položili průkopníci kvantové fyziky jako P. A. Dirac, W. Pauli, W. Heisenberg už ve dvacátých letech 20. století a do konečné podoby ji ve čtyřicátých letech rozvinuli R. Feynman, J. Schwinger a S.-I. Tomonaga (Nobelova cena 1965).

1. Experimentální hala E3 s vakuovou komorou pro výzkum fyziky plazmatu při vysokých hustotách energií (velký kovový válec s průměrem a výškou asi 3 metry). V této vakuové komoře se mohou scházet svazky několika laserových systémů a sekundárních zdrojů ELI Beamlines a lze v ní studovat plazma při nejextrémnějších vesmírných podmínkách.

QED byla testována s mimořádnou přesností na urychlovačích částic, například v CERN, kde se srážejí nabitá jádra atomů při obrovských energiích v režimu, kdy spolu interagují jednotlivé částice. K realizování takových srážek jsou ovšem zapotřebí mnohakilometrové tunely osazené supravodivými magnety a chlazené tekutým heliem. Moderní laserová centra, jako je ELI Beamlines, nyní nabízejí alternativní a mnohem levnější cestu, jak testovat QED. Stačí nám k tomu „jen“ laserová hala, vakuová komora (viz obr. 1) a schopnost soustředit světlo tak intenzivně, že se interakce s nabitými částicemi i se samotným vakuem účastní mnoho fotonů laserového světla zároveň. Lasery nám umožňují testovat QED mnohem přímočařeji, protože laserové experimenty mohou probíhat bez rušivého vlivu interakcí spojených s nabitými jádry.

2. Světlo procházející krystalem vápence se rozděluje na dva svazky s rozdílným indexem lomu, stejně jako tomu v malé míře dochází v případě vakua pod vlivem silného elektromagnetického pole laseru.

Roel Wijtmans

Klíčovým parametrem laserových procesů v tomto režimu je tzv. kritická intenzita elektromagnetického pole, pro niž z QED plyne hodnota 4,6 × 10²⁹ W/cm². Při této intenzitě světlo dokáže vytvořit elektron-pozitronový pár přímo z vakua. Na velmi malých časových a prostorových škálách si lze totiž kvantové vakuum představit jako moře bublajících virtuálních částic. Neustále v něm vznikají a zanikají virtuální páry elektronů a pozitronů. Silné pole laseru při kritických intenzitách dokáže vzniklé páry roztrhnout dřív, než stačí zmizet, a my je pak můžeme pozorovat jako reálné částice. Na ELI Beamlines plánujeme během příštích pár let dosáhnout intenzit až 10²⁴ W/cm², což by byl dnes světový rekord. Je to sice pětsettisíckrát méně, než je kritická hodnota, ale už to stačí k pozorování fascinujících kvantových jevů. Virtuální elektron-pozitronové páry sice ještě neroztrhneme, ale dokážeme je polarizovat – orientovat podél elektrického pole laseru, což se projeví např. tak, že se vakuum začne chovat jako dvojlomný materiál (materiál s takovou vlastností je například i čirý krystal vápence, viz obr. 2). Paprsek světla procházející polarizovaným vakuem se pak rozdělí na dva, s dvěma odlišnými úhly lomu, což je dosud neověřená předpověď QED.

3. Laserová hala L4 s nejvýkonnějším laserem ELI Beamlines, který v jednom pulzu světla obsahuje takovou energii odpovídající kinetické energii 15kg závaží puštěného z výšky deseti metrů. Tato energie je terči dodána za časový interval, který se má k jedné minutě zhruba stejně, jako se jedna minuta má k době trvání vesmíru.

Lasery ELI Beamlines lze využít také k urychlování elektronových svazků, které pak mohou sloužit jako terč pro další laserovépulzy (viz obr. 4). Elektrony pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla navíc „vidí“ díky speciální teorii relativity laserová pole mnohonásobně zesílená. Takže z pohledu relativistických elektronů mohou laserová pole současně dostupných laserů přesáhnout kritickou intenzitu. V těchto podmínkách elektrony vyzařují tvrdé gama záření, které dále může generovat nové elektron-pozitronové páry. Ty také vyzařují a celý proces se může opakovat. Jeden jediný vysokoenergetický elektron v extrémně silném laserovém poli tak může spustit celou lavinu nových částic. Vysoce energetické gama záření má navíc samo o sobě široké uplatnění. Kromě radiochirurgie, či výroby radionuklidů se využívá ke skenování vnitřní struktury materiálů a v technologiích zpracovávání použitého jaderného paliva.

4. Schéma typického experimentu kvantové elektrodynamiky. Laser urychluje elektrony v supersonickém proudu helia na rychlosti blízké rychlosti světla. Tyto elektrony se pak srážejí s dalším laserovým svazkem, díky čemuž vyzáří část své energie v podobě gama záření. Elektrony se po srážce oddělí magnetem a spektrometrem se změří, kolik energie ztratily. Nakonec se gama záření analyzuje pomocí scintilačního detektoru tvořeného krystaly CsI.

Vlajková loď centra ELI, laser L4, pro tyto experimenty dokáže vyvinout výkon až 10 petawattů tím, že soustředí energii 1500 joulů do pulzu o délce 150 femtosekund (viz obr. 3). Elektrony urychlujeme také pomocí laseru L3, který má výkon až jednoho petawattu a rutinně dokáže elektrony urychlit až na 99,999997 % rychlosti světla. Experimenty s těmito lasery nám umožní nejen testovat fundamentální teoretické modely, ale také nahlédnout do toho, jak se plazma chová při těch nejextrémnějších podmínkách. Můžeme tak v laboratoři simulovat podobná prostředí, jako panovala v prvních okamžicích po velkém třesku nebo jaká lze stále nalézt během explozí supernov nebo v akrečních discích černých děr.