epp team researchers have proposed a configuration to test radiation reaction in the radiation dominated regime which takes advantage of state-of-the-art laser systems currently available. The configuration has been explored with massively parallel simulations that take into account the effect of radiation reaction in the particle dynamics via the Landau-Lifshitz equation. This work has been published in Physical Review Letters by Marija Vranic et al. and can be found here.

The portuguese version of the press release is below:

Cientistas propõem teste experimental para a equação mais exótica da física clássica

Uma equipa de investigadores do IPFN/IST determinou as condições experimentais que poderão ser exploradas para testar uma das equações mais exóticas da física clássica,  a equação de Lorentz-Abraham-Dirac (LAD). Esta equação descreve a dinâmica de uma partícula carregada, como por exemplo um electrão, que, ao ser acelerada, perde uma parte importante da sua energia por radiação emitindo luz e é comum em aceleradores de partículas e em astronomia, associada à dinâmica de electrões em campos magnéticos. O trabalho foi publicado na prestigiada revista científica Physical Review Letters na sua edição de 26 de Setembro.

Esta equação foi proposta há mais de cem anos mas apresenta diversos problemas conceptuais que têm origem na ligação entre a física clássica e a mecânica quântica. Inúmeras tentativas teóricas têm sido efectuadas para resolver as dificuldades conceptuais da equação mas as condições que possam permitir testar experimentalmente esta equação ainda não tinham sido devidamente identificadas. O trabalho agora proposto pelos investigadores do IPFN/IST identifica essas condições, utilizando modelos numéricos complexos, propondo uma configuração experimental que muito proximamente poderá ser testada recorrendo a alguns dos lasers mais potentes do mundo.

Quando os electrões são sujeitos a impulsos de luz laser muito potente, podem sofrer grandes acelerações e oscilar violentamente, emitindo radiação. Se os electrões forem muito relativistas, ou seja com velocidades muito próximas da velocidade da luz, e as acelerações muito fortes, podem radiar tão intensamente que perdem uma grande parte da sua energia. Explicar a dinâmica dos electrões nestas condições é um problema cuja solução é dada pela equação de Lorentz-Abraham-Dirac.

O exotismo desta equação advém do facto de ser a única equação da física clássica que depende da derivada da aceleração. Este termo tem um nome bastante peculiar, “jolt” (sacudidela ou abanão numa tradução livre) e leva a soluções conceptualmente impossíveis, como acelerações infinitas.

Esta exótica equação ainda foi pouco explorada em condições laboratoriais, em parte porque os aceleradores que ofereciam feixes de electrões com a energia necessária não dispõem dos lasers com a intensidade requerida para realizar estes testes. No entanto, hoje já é possível usar impulsos de luz ultra-intensa para acelerar feixes de electrões em laboratórios à escala universitária. A experiência proposta neste trabalho tira partido disso para que, e usando apenas lasers, se possam reunir todos os ingredientes necessários para entrar no regime de interacção laser-plasma que pretendemos estudar, dominado pela forte  radiação. Perceber este regime é fundamental para compreender as dificuldades conceptuais associadas à equação de Lorentz-Abrahm-Dirac e  pode ser crucial para compreender a transição da electrodinâmica clássica para a electrodinâmica quântica.  No trabalho agora publicado foram identificados os parâmetros óptimos para realizar experiências que permitam perceber este regime. Por outro lado, estabelece um roteiro de parâmetros para explorar a transição do regime completamente clássico para a electrodinâmica quântica. De acordo com a Marija Vranic, aluna de doutoramento no Grupo de Lasers e Plasmas do IPFN/IST e principal autora do trabalho “A nossa proposta mostra que alguns sistemas lasers no mundo podem realizar esta experiência e esclarecer alguns dos mistérios da equação de LAD. Algumas grandes Infra-estruturas europeias futuras, como a Extreme Light Infrastructure, irão operar neste regime dominado pela radiação e na transição para a electrodinâmica quântica, o que torna ainda mais premente o nosso estudo.”. O coordenador do Grupo de Lasers e Plasmas, e também co-autor deste estudo, Luís Oliveira e Silva reforça ainda “A fiabilidade dos modelos desenvolvidos, alicerçada em simulações de grande escala, permitiu determinar as condições óptimas para realizar estas experiências. Alguns laboratórios, como por exemplo a Central Laser Facilty no Rutherford Appleton Laboratory, já planeiam realizar estas experiências e  testar as nossas previsões”.

Este trabalho foi financiado pelo European Research Council e recorreu a simulações numéricas realizadas nos supercomputadores JuQueen (Julich, Alemanha) e SuperMUC (Garching, Alemanha).