El proceso lineal de Breit-Wheeler (γ+γ→e−+e+) es una de las predicciones más básicas de la electrodinámica cuántica, formulada ya en 1934. Desempeña un papel clave en astrofísica: ráfagas rápidas de radio, emisión de púlsares, ondas de choque relativistas, estallidos de rayos gamma y las proximidades de agujeros negros. Sin embargo, en laboratorio este proceso nunca se ha observado con fotones reales debido a la necesidad de haces de fotones simultáneamente densos y energéticos. El desarrollo de láseres petavatio con intensidades de alrededor de 10^22 W/cm² ha abierto la posibilidad de crear tales fotones en plasma. Los esquemas propuestos anteriormente adolecían de una baja relación señal-ruido y producían señales del orden de 10^3–10^4 MeV^-1 sr^-1, por debajo del umbral de detección en experimentos típicos de láser-plasma. Este trabajo se inscribe en la línea de investigaciones sobre decoherencia cuántica e incertidumbre, pero se distingue por proponer un mecanismo concreto de amplificación de la señal, no solo su estimación.
Los autores emplearon simulaciones tridimensionales con el método de partículas en celdas (PIC) utilizando el código EPOCH. Un pulso láser con longitud de onda de 800 nm, intensidad máxima de 3×10^22 W/cm² y duración de 25 fs se dirigió a un blanco de espuma de carbono-hidrógeno. Se consideraron blancos homogéneos con densidades de 2 a 100 veces la densidad crítica (nc) y un blanco de dos capas: la primera de 1 nc y la segunda de 20 nc. Para tener en cuenta los efectos cuánticos se usaron módulos de Monte Carlo para radiación sincrotrón y creación de pares. Un modelo analítico describía la dinámica de los positrones en el campo magnético azimutal del plasma, generado por el gradiente longitudinal del campo en un canal en forma de embudo.
En el blanco homogéneo con densidad 2 nc, la mayoría de los positrones se movían inesperadamente hacia atrás (contra la propagación del láser), mientras que a 100 nc lo hacían hacia adelante. La causa es un fuerte campo magnético azimutal creado por la corriente de electrones en el plasma transparente. Este campo no solo invierte la dirección de los positrones, sino que también comprime su distribución angular hacia el eje gracias al gradiente longitudinal del campo. El modelo analítico mostró que en cada cruce del eje, el ángulo polar del positrón disminuye, lo que conduce a un 'pinzamiento' (compresión) del haz. El diagnóstico numérico confirmó que es precisamente la componente azimutal del campo magnético Bφ la que domina el cambio de ángulo. Para aumentar la producción de pares se propuso un blanco de dos capas: el láser primero crea la estructura magnética en la capa de baja densidad y luego genera muchos pares en la capa densa. En este esquema, la producción total de pares fue de 5.5×10^7, y la señal en la dirección inversa alcanzó aproximadamente 10^6 MeV^-1 sr^-1 en un cono con ángulo de apertura de unos 15°. Esto es 2-3 órdenes de magnitud mayor que en esquemas previos de un solo pulso y cae en el rango donde ya se han detectado positrones en experimentos de aceleración láser-plasma.
El trabajo propone una forma concreta y relativamente simple de amplificar la señal del proceso lineal de Breit-Wheeler hasta un nivel detectable. A diferencia de trabajos relacionados donde la señal se estimaba en la dirección de propagación del láser, aquí los positrones se invierten hacia atrás, donde el fondo es considerablemente menor. Esto reduce los requisitos de filtrado de ruido y aumenta las posibilidades de la primera observación del proceso en laboratorio. El mecanismo es autoconsistente: el propio plasma crea una lente magnética que enfoca las partículas generadas. Este enfoque podría aplicarse también a otros esquemas de creación de pares.
El esquema propuesto puede implementarse en instalaciones láser petavatio existentes. El blanco de dos capas de espuma podría sustituirse por un preplasma generado por un pulso previo, lo que simplifica el experimento. Simulaciones adicionales podrían refinar los parámetros del láser y del blanco para maximizar la señal. También resulta interesante investigar cómo funciona este mecanismo a intensidades aún mayores, donde los efectos cuánticos se vuelven más fuertes. Es posible que campos autoconsistentes similares ayuden a estudiar otros procesos de la electrodinámica cuántica en campos intensos.
Los resultados influirán en la física experimental de campos láser intensos, la astrofísica de altas energías y la verificación de la electrodinámica cuántica en condiciones extremas.
Realizar un experimento en una instalación láser petavatio con un blanco de dos capas y un detector de positrones en la dirección inversa. Optimizar los parámetros del blanco y del láser para maximizar la producción de pares y minimizar el fondo.
El trabajo está directamente relacionado con el problema no resuelto de la observación experimental del proceso lineal de Breit-Wheeler en laboratorio. También aborda la cuestión más amplia de la creación de pares en campos intensos, relevante para comprender fuentes astrofísicas como las magnetosferas de púlsares y agujeros negros. El mecanismo propuesto de enfoque autoconsistente de positrones podría ser la clave para superar el umbral de detección.
Los positrones generados en el plasma se giran 180 grados y vuelan hacia el haz láser, como nadadores que la corriente devuelve a la orilla.
La idea de crear materia a partir de la luz recuerda a tramas de ciencia ficción, como en la novela de Arthur C. Clarke 'La luz de otros días', donde la luz se usa para crear materia. En la realidad, el proceso de Breit-Wheeler es la conversión literal de la energía de los fotones en masa de partículas.