Un láser de alta potencia arroja luz sobre la reacción de radiación

La radiación electromagnética está por todas partes: se encuentra en las ondas de radio que permiten que los teléfonos móviles funcionen, en el arco iris que vemos cuando llueve en un día soleado y en las ondas infrarrojas invisibles que utilizamos en nuestros mandos a distancia para cambiar de canal de televisión. Sabemos que se presenta de varias formas, que van desde ondas de radio y microondas hasta rayos X y rayos gamma. Sin embargo, ¿qué es exactamente?

La radiación electromagnética es la energía que emite una partícula cargada, como un electrón, cuando se acelera. Cuando la partícula en aceleración libera esta energía, experimenta una fuerza de retroceso denominada «reacción de radiación». Normalmente, las fuerzas de reacción de radiación son demasiado pequeñas para ser tenidas en cuenta, pero adquieren relevancia en las interacciones láser-plasma y en contextos astrofísicos, donde intervienen campos electromagnéticos altos y electrones de alta energía.

Un trabajo publicado en la revista «Physical Review X» presenta evidencias de que se produce una reacción de radiación cuando un pulso láser de alta intensidad colisiona con un haz de electrones de alta energía. Un equipo de científicos, con el apoyo de los proyectos TeX-MEx y SF-QFT financiados con fondos europeos, llevaron a cabo este experimento utilizando el láser Astra Gemini que pertenece a Central Laser Facility en el Reino Unido.

El láser de haz dual Astra Gemini genera dos haces sincronizados, que juntos proporcionan 1 000 billones (10¹⁵) de vatios de potencia. En el experimento, se utilizó un láser pulsado para producir un paquete de electrones de alta energía a través de un proceso conocido como «aceleración láser de Wakefield», mientras que el segundo láser se dirigió al paquete de electrones. Cuando colisionaron el haz de electrones y el pulso láser, los electrones oscilaron en el campo electromagnético del segundo láser y dispersaron los fotones del haz del láser, que se detectaron como rayos gamma. Asimismo, la pérdida de energía de los electrones dio lugar a una reacción de radiación.

La dificultad para lograr una colisión puede apreciarse mejor si tenemos en cuenta el hecho de que los pulsos láser son más finos que un pelo humano y que, con una duración de 45 milbillonésimas de segundo cada uno, debían golpear a lo que los científicos describieron como «balas de electrones del tamaño de una micra» viajando a una velocidad cercana a la de la luz. Se consideraba que se había logrado una colisión cuando se detectaba radiación gamma de alta energía. Habida cuenta de estas velocidades y anchuras infinitesimales, junto con otros factores adicionales, como las variaciones del haz de electrones entre un disparo y otro, la forma de apuntar el láser y la gestión del momento oportuno, está bastante claro por qué solo se consiguieron unas pocas colisiones.

Se utilizaron las mediciones obtenidas para comparar los modelos de reacción de radiación cuántico y clásico. Se constató que los modelos clásicos tendían a sobrestimar las fuerzas de la reacción de radiación y las energías de los rayos gamma en comparación con los modelos cuánticos. Además, se concluyó que los datos eran más coherentes con un modelo electromagnético cuántico, pero el hecho es que esto tan solo se producía algo más del 68 % de las veces y se necesitaban nuevos estudios para evaluar adecuadamente los distintos modelos.

Con vistas al futuro

El principal desafío del equipo del proyecto de aquí en adelante es combinar simultáneamente intensidades de láser altas, haces estables y energías de haces altas en los futuros experimentos con el fin de recopilar datos suficientes para realizar un estudio sistemático de la reacción de radiación cuántica.

Mediante el uso de la tecnología láser-plasma, el proyecto TeX-MEx (Time resolved X-ray probing of Matter under Extreme conditions) tiene por objeto mejorar los conocimientos sobre el comportamiento de la materia por todo el universo. El proyecto SF-QFT (Fundamental physics with intense laser fields) se encarga de probar el efecto de la relatividad y el efecto cuántico en campos de láseres intensos para comprender mejor y servir de apoyo a futuros experimentos con láseres del alta intensidad en la Unión Europea.

Para más información, consulte:
TeX-MEx
SF-QFT