Världsrekord i ljus visar att laserpulser kan bromsa elektroner

Chalmersfysiker har bidragit till att sätta ett nytt världsrekord i ljus. De extremt energirika strålarna skapades nyligen i samarbete med brittiska kollegor. Forskarna har också kunnat mäta en effekt – strålningsdämpning – som kan spela en viktig roll för fysiken runt svarta hål och neutronstjärnor.

Forskningsresultaten publiceras 7 februari i den vetenskapliga tidskriften Physical Review X. De banbrytande experimenten inom laserfysik genomfördes under de mest extrema förhållanden som är möjliga på jorden.

- Vi har jobbat länge för att kunna göra den här typen av experiment. Därför är det roligt att vi verkligen lyckades mäta strålningsdämpningen och hur elektronerna bromsas in. Att vi samtidigt satte ett världsrekord är grädde på moset, säger Mattias Marklund, professor i teoretisk fysik på Chalmers.

Han har tillsammans med chalmerskollegan Tom Blackburn och tidigare kollegorna Anton Ilderton och Chris Harvey tagit fram de teoretiska beräkningar som användes för att genomföra experimentet. Det är den brittiska experimentalisten Stuart Mangles vid Imperial College i London som har lett arbetet med att göra praktik av teorin, så att det avancerade experimentet kunnat genomföras.

För att kunna skapa rekordstrålarna och se strålningsdämpningen använde fysikerna laserpulser som är en miljon miljarder gånger starkare än ljuset på solens yta. De krockade dessa pulser med ultrasnabba elektroner, något som kallas för en comptonkälla. I den våldsamma smällen skapades ljusstrålar med energier som slog världsrekord.

I krocken omvandlades elektronernas energi till ultrakorta pulser av extrem gammastrålning. Samtidigt som strålarna skapades bromsades elektronerna in dramatiskt.

Denna inbromsning kallas strålningsdämpning, och tros ha en mycket viktig roll för fysiken runt neutronstjärnor och svarta hål. Gammastrålarna från experimentet var ett tecken på att man framgångsrikt hade lyckats mäta strålningsdämpning. Mätdata från experimentet antyder också att krocken mellan elektronerna och laserpulsen var så kraftfull att den klassiska fysiken bröt samman, och kvanteffekter blev betydande.

- Det här kan vara ett första steg mot att skapa unika strålnings- och partikelkällor. Sådana kan användas för andra experiment och ny grundforskning, till exempel när det gäller att förstå astrofysikaliska miljöer, säger Mattias Marklund.

Experimentet som ligger till grund för upptäckten utfördes på Astra Gemini-lasern vid Rutherford Appleton-laboratoriet, som drivs av Science and Technology Facilities Council, i Storbritannien.

Under 2018 kommer den internationella forskargruppen fortsätta sitt samarbete.

Läs den vetenskapliga artikeln Experimental evidence of radiation reaction in the collision of a high-intensity laser pulse with a laser-wakefield accelerated electron beam i Physical Review X.

Forskningen på Chalmers har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och Vetenskapsrådet.

För mer information, kontakta
Mattias Marklund, professor, institutionen för fysik, Chalmers, 031-772 39 39, mattias.marklund@chalmers.se