יצירת פוטונים גמא בעלי אנרגיה גבוהה ואלקטרונים־זוגיים בשדות לייזר מקוטבים ובעלי עוצמה אולטרה

אור כה עז שמייצר חומר

מה קורה כששואפים את אחד מקרני הלייזר העוצמתיות ביותר שיצרו אי‑פעם אל גוש קטן של גז? בעבודה זו פיסיקאים משתמשים בסימולציות על-גבי‑מחשב כדי לחקור עתיד שבו לייזרים כאלה לא רק מייצרים פרצי קרני גמא אינטנסיביים—הצורה האנרגטית ביותר של אור—אלא גם יוצרים חומר ואנטי‑חומר מאותו אור. הם מראים כי סיבוב פשוט של שדה החשמל של הלייזר במעגל במקום תנודה קשתית יכול לשנות באופן דרמטי את היעילות שבה מיוצרים חלקיקים וקוואנטים קיצוניים אלה ואת מידת הצמצום של קרני היציאה.

מדוע קיטוב האור חשוב

לייזרים מודרניים בעלי הספק גבוה מגיעים לעוצמות שבהן חוקי האינטראקציה הרגילים בין אור וחומר נסוגים לעולם המוזר של האלקטרודינמיקה הקוונטית: שם אלקטרונים פולטים אנרגיה בפיצוצים פתאומיים וחזקים ופוטונים בודדים יכולים להפוך לזוגות של אלקטרונים ותאומי האנטי‑חלקיקים שלהם, פוזיטרונים. בעבודה זו החוקרים בוחנים שתי דרכים נפוצות "לקטב" את אור הלייזר: קיטוב ליניארי, שבו שדה החשמל מתנדנד בכיוון קבוע, וקיטוב מעגלי, שבו השדה מסתובב כמו מחוג של שעון כשהאור מתקדם. למרות ששתי המצביות נושאות את אותה אנרגיה כוללת, הן דוחפות מטענים במסלולים שונים מאוד, ואותם מסלולים מכתיבים גם את הבהירות וגם את החדות של קרני הקרינה והחומר הנוצרים.

ניסוי וירטואלי עם לייזרים קיצוניים

מכיוון שהעוצמות שבתחום העניין גבוהות מאלה שמתקנים מולטי‑פטה‑ואטיים של היום מספקים שגרתי, הצוות פונה לסימולציות תלת־ממדיות מסוג particle‑in‑cell, מעין ניסוי ממוחשב מבוסס‑עקרונות. הם מדמים פולס לייזר אולטרה‑עוצמתי שפוגע בגוש של גז מימן מיון, שהצפיפות שלו נבחרה כך שהלייזר יכול לחפור בו תעלה בעודו מחזיק חזק באלקטרונים. על‑ידי מעקב אחרי מיליארדי "סופר‑חלקיקים" חישוביים וכלילת תהליכים קוונטיים מרכזיים—תגובה רדיואקטיבית, שבה אלקטרונים מאבדים אנרגיה על ידי פליטת פוטונים קשים, וגרסה של תהליך ברייט–וילר, שבו אותם פוטונים מומרצים לזוגות אלקטרון‑פוזיטרון—הסימולציות עוקבות אחרי השרשרת המלאה מאנרגיית הלייזר לתנועת הפלזמה, לפרצי קרני גמא ולבסוף להיווצרות הזוגות.

עיצוב קרניים של אור וחומר

הסימולציות מראות שפולסים מקוטבים מעגלית מנווטים את האלקטרונים למסלולים חלקים יותר והליקאליים לאורך תעלות שנוצרות בעצמן בפלזמה. התנועה העקבית הזו חושפת את האלקטרונים לשדות חזקים לפרק זמן ארוך יותר ושומרת על האנרגיה שלהם, מה שמגביר פרמטר מרכזי שמודד עד כמה האינטראקציה שלהם עם האור היא "קוואנטית". כתוצאה, המקרה המעגלי יוצר קרני גמא גם אנרגטיות יותר—המגיעות לטווחי גיגה‑אלקטרון‑וולטים ואף מעבר לכך—וגם ממוקדות יותר מאשר אלה שנוצרות מפולס מקוטב ליניארית. המגמה הזו חלה גם על האלקטרונים הנולדים מאינטראקציות פוטון‑פוטון: זוגות שנוצרים תחת קיטוב מעגלי יוצרים קרן צרה יותר ובעלת אנרגיה גבוהה יותר, בעוד שקיטוב ליניארי מניב תזת חלקיקים רחבה יותר, בעלי אנרגיה נמוכה יותר אך במספר גדול יותר.

איזון בין איכות לכמות

בהשוואת כמות האנרגיה של הלייזר המומרת לקרני גמא ולחשמלונים החדשים, החוקרים מזהים תחלופה הנשלטת על‑ידי הקיטוב. קיטוב מעגלי ממיר מעט יותר אנרגיית לייזר לפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה ומרכז את האנרגיה הזו לקרן חלקיקים על‑מילונית וממוקדת—אידיאלית ליישומים שדורשים מקור מואר וכיווני. קיטוב ליניארי, לעומת זאת, יוצר מספר כולל גדול יותר של זוגות, למרות שכל אחד מהם נושא פחות אנרגיה ויוצא בזווית רחבה יותר. המחקר גם בודק שהמסקנות נשמרות כאשר הלייזר פוגע בפלזמה בזוויות קטנות ולא ישירות, ומוצא שינויים מתונים באנרגיות השיא וללא הפיכה של המגמות הכלליות.

הפיכת "הסתובבות" הלייזר לכפתור שליטה

העבודה מדגימה שבתחום האור הקיצוני, האופן שבו מסתובב שדה החשמל של הלייזר יכול להיות חשוב לא פחות מעוצמתו. פולסים מקוטבים מעגלית פועלים ככלים מדויקים, חורטים תעלות בפלזמה ומשגרים ג'טים ממוקדים של קרני גמא בעלות אנרגיה גבוהה וזוגות אלקטרון‑פוזיטרון, בעוד שפולסים מקוטבים ליניארית פועלים יותר כמו מברשות רחבות, ומייצרים ענן גדול יותר אך פחות מאורגן של חלקיקים חדשים. ככל שמתקנים מהדור הבא ידחפו את עוצמות הלייזר לעבר הרמות שנבדקו כאן, שליטה בקיטוב עלולה להפוך לכפתור מעשי לעיצוב מקורות גמא ואנטי‑חומר עתידיים, עם שימושים שבין בדיקת מבנה גרעיני לשחזור סביבות אסטרופיזיקליות במעבדה.

ציטוט: Agarwal, S., Gupta, D.N. High-energy \(\gamma\)-photons and pair electrons generation in polarized ultraintense laser fields. Sci Rep 16, 11945 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42431-0

מילות מפתח: לייזרים בעוצמה אולטרה, קרני גמא, זוגות אלקטרון‑פוזיטרון, קיטוב לייזר, QED בשדות חזקים