Hochleistungslaser wirft Licht auf Strahlungsreaktion

Wir sind von elektromagnetischer Strahlung umgeben. Sie befindet sich in den Funkwellen, dank derer Mobiltelefone funktionieren, in dem Regenbogen, den wir sehen, wenn es an einem sonnigen Tag regnet, und in den unsichtbaren Infrarotwellen, die wir nutzen, um mit der Fernbedienung den Fernsehsender zu wechseln. Wir wissen, dass sie in vielen Formen vorliegt, von Funkwellen und Mikrowellen bis hin zu energiereichen Röntgen- und Gammastrahlen. Aber was genau ist Strahlung eigentlich?

Elektromagnetische Strahlung ist die Energie, die ein geladener Partikel, wie beispielsweise ein Elektron, bei der Beschleunigung abgibt. Wenn der sich beschleunigende Partikel diese Energie freisetzt, erfährt er eine Rückstoßkraft, die als „Strahlungsreaktion“ bezeichnet wird. Normalerweise sind die Strahlungsreaktionskräfte zu klein, um berücksichtigt zu werden, doch in Laser-Plasma-Interaktionen und im astrophysischen Kontext spielen sie eine bedeutende Rolle, wenn hoch elektromagnetische Felder und hohe Elektroenergien ins Spiel kommen.

Ein in der Zeitschrift „Physical Review X“ veröffentlichter Artikel präsentiert Nachweise für das Auftreten einer Strahlungsreaktion, wenn ein Hochleistungslaserimpuls mit einem energiereichen Elektronenstrahl kollidiert. Ein Team von Wissenschaftlern führte mit Unterstützung der von der EU finanzierten Projekte TeX-MEx und SF-QFT dieses Experiment durch, bei dem Astra Gemini-Laser verwendet wurden, die der Central Laser Facility im Vereinigten Königreich gehören.

Der Dual-Beam-Astra-Gemini-Laser erzeugt zwei synchronisierte Laserstrahlen, die zusammen eine Leistung von einer Billiarde (10¹⁵) Watt ergeben. Im Experiment wurde ein Laserimpuls genutzt, um anhand eines Prozesses namens Laser-Wakefield-Beschleunigung ein Bündel Hochenergieelektronen zu erzeugen, während der zweite Laser auf das Elektronenbündel gerichtet wurde. Als der Elektronenstrahl mit dem Laserimpuls kollidierte, oszillierten die Elektronen im elektromagnetischen Feld des zweiten Lasers und zerstreuten die Photonen des Laserstrahls, die als Gammastrahlen erkannt wurden. Der Energieverlust der Elektronen führte außerdem zu einer Strahlungsreaktion.

Die Schwierigkeit des Erreichens einer Kollision wird vielleicht stärker wertgeschätzt, wenn wir die Tatsache bedenken, dass Laserimpulse dünner sind als ein menschliches Haar und dass sie, obwohl sie jeweils nur eine 45 Billiardstel Sekunde dauern, eine annähernd mit Lichtgeschwindigkeit reisende „Elektronenkugel von der Größe eines Mikrons“ treffen mussten. Eine Kollision galt als erfolgreich, wenn energiereiche Gammastrahlung entdeckt wurde. Unter Berücksichtigung dieser infinitesimalen Geschwindigkeiten und Breiten in Kombination mit weiteren Faktoren, wie Unterschiede zwischen den einzelnen Elektronenstrahlschüssen sowie der Laserausrichtung und des Timings, wird schnell klar, warum nur eine geringe Anzahl der Kollisionen erfolgreich war.

Die erhaltenen Messungen wurden genutzt, um Quantum- und klassische Modelle der Strahlungsreaktion zu vergleichen. So wurde festgestellt, dass die klassischen Modelle im Vergleich zu Quantummodellen eher dazu neigen, die Kräfte der Strahlungsreaktion und die Energie der Gammastrahlen zu überschätzen. Außerdem wurde gefolgert, dass die Daten bei einem elektromagnetischen Quantummodell einheitlicher waren. Dies geschah jedoch nur in etwas mehr als 68 % der Fälle, und weitere Studien sind erforderlich, um die verschiedenen Modelle ordnungsgemäß zu bewerten.

Ausblick in die Zukunft

Die größte Herausforderung für das weitere Vorgehen des Projektteams besteht darin, in künftigen Experimenten die hohen Laserintensitäten mit Strahlstabilität und hohen Strahlenergien zu kombinieren, um genügend Daten für eine systematische Untersuchung der Quantum-Strahlungsreaktion zu erheben.

Mittels Laser-Plasma-Technologie zielt das TeX-MEx-Projekt (zeitaufgelöste Röntgenstrahlmessungen von Masse unter Extrembedingungen) darauf ab, das Wissen über das Verhalten von Masse im Universum zu verbessern. Das SF-QFT-Projekt (Grundlagenphysik mit intensiven Laserfeldern) ist beauftragt, relativistische und Quantumeffekte in intensiven Laserfeldern zu testen, um neue Erkenntnisse zu erlangen und eine unterstützende Grundlage für künftige hochintensive Laserexperimente in der EU zu schaffen.

Weitere Informationen:
TeX-MEx
SF-QFT