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Al golpear los electrones con un láser ultraintenso, investigadores han revelado dinámicas que van más allá de la física "clásica" e insinúan efectos cuánticos.

Siempre que la luz golpea un objeto, parte de la luz se dispersa hacia atrás desde la superficie del objeto. Sin embargo, si el objeto se mueve extremadamente rápido, y si la luz es increíblemente intensa, pueden suceder cosas extrañas.

Los electrones, por ejemplo, pueden sacudirse tan violentamente que en realidad se ralentizan porque irradian tanta energía. Los físicos llaman a este proceso "reacción de radiación".

Se piensa que esta reacción de radiación ocurre alrededor de objetos como agujeros negros y cuásares (agujeros negros supermasivos rodeados por un disco de gas). Ser capaz de medir la reacción de radiación en el laboratorio, por lo tanto, proporcionará información sobre los procesos que ocurren en algunos de los entornos más extremos del universo.

La reacción a la radiación también es interesante para los físicos que estudian los efectos más allá de la física "clásica", ya que las ecuaciones (conocidas como ecuaciones de Maxwell) que tradicionalmente definen las fuerzas que actúan sobre los objetos son insuficientes en estos entornos extremos.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el Imperial College de Londres ha demostrado una reacción de radiación en el laboratorio por primera vez. Sus resultados se publican en la revista Physical Review X.

Pudieron observar esta reacción de radiación colisionando un rayo láser un trillón de veces más brillante que la luz en la superficie del Sol con un haz de electrones de alta energía. El experimento, que requirió una precisión extrema y una programación exquisita, se logró utilizando el láser Gemini en la Central Laser Facility del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología en el Reino Unido.

Los fotones de luz que se reflejan desde un objeto que se mueve cerca de la velocidad de la luz aumentan su energía. En las condiciones extremas de este experimento, esto cambia la luz reflejada desde la parte visible del espectro hasta los rayos gamma de alta energía. Este efecto les permitió a los investigadores saber cuándo habían colisionado con éxito los haces.

El autor principal del estudio, el Dr. Stuart Mangles del Departamento de Física de Imperial, dijo: "Sabíamos que habíamos tenido éxito al colisionar los dos haces cuando detectamos radiación de rayos gamma de alta energía muy brillante.

"El resultado real luego vino cuando comparamos esta detección con la energía en el haz de electrones después de la colisión. Encontramos que estas colisiones exitosas tenían una energía de electrones menor a la esperada, lo que es una clara evidencia de reacción de radiación".

El coautor del estudio, el profesor Alec Thomas, de la Universidad de Lancaster y la Universidad de Michigan, agregó: "Una cosa que siempre me resulta fascinante es que los electrones se detienen tan eficazmente con esta hoja de luz, una fracción del grosor de un cabello, como por algo así como un milímetro de plomo. Eso es extraordinario ".

Los datos del experimento también concuerdan mejor con un modelo teórico basado en los principios de la electrodinámica cuántica, en lugar de las ecuaciones de Maxwell, que podrían proporcionar algunas de las primeras pruebas de modelos cuánticos no probados previamente.

El coautor del estudio, el profesor Mattias Marklund de Chalmers University of Technology, Suecia, cuyo grupo estuvo involucrado en el estudio, dijo: "Probar nuestras predicciones teóricas es de importancia central para nosotros en Chalmers, especialmente en los nuevos regímenes donde hay mucho que aprender. Con la teoría, estos experimentos son una base para la investigación láser de alta intensidad en el dominio cuántico ".

Sin embargo, se necesitarán más experimentos a una intensidad aún mayor o con haces de electrones de energía incluso más altos para confirmar si esto es cierto. El equipo llevará a cabo estos experimentos el próximo año.

El equipo pudo hacer que la luz fuera tan intensa en el experimento actual al enfocarla en un punto muy pequeño (solo unos pocos micrómetros - millonésimas de metro) y aplicar toda la energía en una duración muy corta (solo 40 femtosegundos largos: 40 cuadrillonésimas de segundo).

Para que el haz de electrones fuera lo suficientemente pequeño como para interactuar con el láser enfocado, el equipo usó una técnica llamada "aceleración láser de wakefield".

La técnica de wakefield láser dispara otro pulso láser intenso en un gas. El láser convierte el gas en un plasma e impulsa una onda, llamada wakefield, que atraviesa el plasma. Los electrones en el plasma pueden surfear en esta estela y alcanzar energías muy altas en una distancia muy corta.