Il funzionamento interno del laser Titano nella Jupiter Laser Facility
Utilizzando laser sempre più energetici, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in California hanno prodotto un numero record di coppie elettrone-positrone, aprendo interessanti opportunità per lo studio dei processi astrofisici estremi, come quelli che avvengono nei pressi dei buchi neri e durante i potenti lampi di raggi gamma (Gamma Ray Burst, GRB).
Grazie a esperimenti effettuati sfruttando tre sistemi laser: Titan presso il LLNL, Omega-EP presso il Laboratory for Laser Energetics, e Orion presso l’Atomic Weapons Establishment nel Regno Unito, il fisico del LLNL Hui Chen e i suoi colleghi hanno creato quasi un trilione di positroni (noti anche come “antielettroni”, l’antiparticella dell’elettrone). In esperimenti precedenti con il laser Titan nel 2008, il team guidato da Chen aveva generato miliardi di positroni.
I positroni sono antiparticelle con la stessa massa di un elettrone e con carica opposta, per questo vengono chiamati anche “antielettroni”. La generazione di coppie elettrone-positrone ad alta energia è comune in ambienti astrofisici estremi ed è tipicamente legata al collasso di stelle e alla formazione di buchi neri. Queste coppie irradiano la loro energia producendo esplosioni estremamente luminose di raggi gamma, anche note come GRB. I GRB sono gli eventi elettromagnetici più brillanti che si verificano nell’Universo e possono durare da decine di millisecondi ad alcuni minuti. Il meccanismo attraverso il quale vengono prodotti questi GRB è ancora un mistero.
In laboratorio è possibile dar vita a getti di coppie elettrone-positrone puntando intensi laser su di lamine d’oro. L’interazione produce radiazione ad alta energia che attraverserà il materiale e creerà coppie elettrone-positrone interagendo con i nuclei atomici dell’oro. La possibilità di creare un gran numero di positroni utilizzando laser energetici apre le porte a numerose nuove strade di ricerca nel campo dell’antimateria, e quindi anche alla comprensione della fisica di base dei fenomeni astrofisici estremi come i buchi neri e i GRB.
«L’obiettivo dei nostri esperimenti era capire in che modo il flusso di coppie elettrone-positrone prodotto sia legato all’energia del laser», ha detto Chen, che insieme a Frederico Fiuza, già titolare di una Lawrence Fellowship presso il LLNL e ora impiegato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, sono gli autori principali di un articolo comparso nell’edizione del 18 maggio scorso di Physical Review Letters.
«Abbiamo identificato la fisica che regola la produzione di positroni al variare dei parametri del laser e del target, e ora possiamo valutare le implicazioni di questi studi per la fisica dei GRB», ha detto Chen. «Nei nostri esperimenti abbiamo osservato un vantaggioso andamento delle coppie elettrone-positrone all’aumentare dell’energia del laser e questo suggerisce che con l’intensità e la durata degli impulsi dei laser disponibili nel futuro prossimo, che arriveranno a 10 kilojoule, avremo una produzione di antimateria 100 volte maggiore».
Il team ha utilizzato questi risultati sperimentali e li ha confrontati alle simulazioni per modellare l’interazione di coppie elettrone-positrone per definire i parametri dei laser del futuro. «Le nostre simulazioni mostrano che con i prossimi sistemi laser potremo studiare come queste coppie energetiche di materia-antimateria convertono la loro energia in radiazione», ha detto Fiuza. «Confermare queste previsioni con un esperimento sarebbe estremamente emozionante».
Impressione artistica di un Gamma Ray Burst. Credit: NASA/Swift/Cruz deWilde
La ricerca nel campo dell’antimateria potrebbe svelare il motivo per cui all’inizio dell’Universo è sopravvissuta più materia che antimateria. Ci sono numerose speculazioni sul perché l’Universo osservabile sia quasi interamente composto di materia, mentre altri luoghi siano dominati dall’antimateria, e molte domande rimangono aperte su ciò che diventerebbe possibile se l’antimateria potesse essere sfruttata. Si pensa che la materia e l’antimateria siano state in equilibrio nell’Universo primordiale, ma a causa di una “asimmetria” l’antimateria è decaduta o si è annichilata, e oggi se ne osservano piccolissime quantità.
Negli sviluppi futuri di questo progetto i ricercatori prevedono di utilizzare la National Ignition Facility per creare flussi ad energie ancora più elevate di coppie elettrone-positrone, questo permetterà agli scienziati di studiare la fisica degli shock generati dalle coppie relativistiche nei GRB.
«L’aspetto estremamente interessante è che questo esperimento, disegnato per lo studio dell’antimateria, sembra indicare una possibilità concreta di ricostruire in laboratorio alcune situazioni che si osservano nei GRB», ha dichiarato Massimo Della Valle dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte. «Fa ben sperare il fatto che in pochi anni si sia riusciti ad arrivare a produrre un trilione di coppie di elettroni e positroni. È senza dubbio un’ottima prospettiva per il futuro».