Americká Národní vědecká nadace (National Science Foundation – NSF) a Grantová agentura České republiky (GA ČR) financují nový společný projekt vědců z americké Kalifornské univerzity v San Diegu a českého výzkumného centra ELI Beamlines (Fyzikální ústav Akademie věd ČR), jehož cílem je využít možnosti multipetawattového laserového centra ELI Beamlines. Jedná se o první financovaný projekt nové spolupráce mezi NSF a GA ČR. Vědci doufají, že jejich experimenty mohou dosáhnout průlomu tím, že prokáží efektivní generování hustých svazků gama záření.
Hvězdné objekty, jako jsou pulsary, mohou díky svým extrémním energiím vytvářet hmotu a antihmotu přímo ze světla. Magnetické pole neboli „magnetosféra“ pulsaru je totiž naplněno elektrony a pozitrony, které vznikají při srážkách fotonů.
Reprodukovat stejné jevy v pozemské laboratoři je nesmírně náročné. Vyžaduje to hustý oblak fotonů s energií milionkrát vyšší než viditelné světlo. Tento fotonový oblak však vědci nebyli schopni vytvořit. Teorie však naznačují, že by to mělo být možné za pomoci vysoce výkonných laserů.
Infrastruktura pro extrémní světlo (ELI ERIC) jako první mezinárodní výzkumná infrastruktura zaměřená na použití vysoko výkonových laserů s vysokou intenzitou takové možnosti výzkumu umožní. ELI ERIC je výzkumná infrastruktura s více pracovišti založená na specializovaných a vzájemně se doplňujících zařízeních ELI Beamlines (Česká republika) a ELI ALPS (Maďarsko). Nové kapacity ELI vytvoří nezbytné podmínky pro testování těchto teorií v laboratoři.
Tento projekt kombinuje teoretické znalosti Kalifornské univerzity v San Diegu (USA), experimentální znalosti ELI Beamlines, jakož i výrobu terčů a technické znalosti společnosti General Atomics (USA). Projekt v hodnotě zhruba 23 milionů korun, který společně financují NSF a GA ČR, povede profesor Alexey Arefiev z Kalifornské univerzity v San Diegu. Vývoj terčů pro lasery s vysokou opakovací frekvencí bude probíhat v General Atomics pod vedením Dr. Maria Manuela, zatímco primární experimenty budou prováděny na ELI Beamlines týmem vedeným Dr. Florianem Condaminem a Dr. Stefanem Weberem.
Obrázek 1: Superpočítačová simulace emise energetického záření gama (žluté šipky) hustým plazmatem (zelená), vytvořeným laserovým paprskem o vysoké intenzitě (červená a modrá). Laser se šíří zleva doprava, přičemž emitované fotony letí stejným směrem. Nekontrastní modré a červené oblasti představují silné magnetické pole generované plazmatem, zatímco oblast oscilací odpovídá magnetickému poli laseru.
Koncepci projektu vypracovala Arefievova výzkumná skupina na Kalifornské univerzitě v San Diegu, která se specializuje na superpočítačové simulace intenzivních interakcí světla s hmotou. Tento projekt využívá efektu, který nastává, když jsou elektrony v plazmatu urychleny na rychlost blízkou rychlosti světla vysoce výkonným laserem. Tento efekt se nazývá „relativistická průhlednost“, protože způsobuje, že dříve neprůhledné husté plazma se stává pro laserové světlo průhledným.
V tomto režimu se při šíření laseru plazmatem vytvářejí extrémně silná magnetická pole. Během tohoto procesu relativistické elektrony oscilují v magnetickém poli, což následně způsobuje emisi gama záření, převážně ve směru laseru.
„Je velmi povzbudivé, že jsme schopni generovat taková magnetická pole, která dříve existovala pouze v extrémních astrofyzikálních objektech, jako jsou neutronové hvězdy,“ říká Arefiev. „Schopnost laserů ELI Beamlines dosáhnout velmi vysoké intenzity na terči je klíčem k dosažení tohoto režimu.“
Tyto experimenty poskytnou první statisticky relevantní studii generování gama záření pomocí vysoce výkonných laserů. Vědci doufají, že tato práce otevře cestu k sekundárním vysokoenergetickým zdrojům fotonů, které bude možné využít nejen pro základní fyzikální studie, ale také pro řadu důležitých průmyslových aplikací, jako je materiálová věda, zobrazování jaderného odpadu, analýza jaderného paliva, bezpečnost, hloubková radiografie s vysokým rozlišením atd. Takové „extrémní zobrazování“ vyžaduje robustní, reprodukovatelné a dobře kontrolovatelné zdroje záření gama. Společný projekt NSF a GA ČR je zaměřen právě na vývoj takových bezprecedentních zdrojů.
Experimentům výrazně napomáhá další technologický pokrok. Až donedávna mohla výkonná laserová zařízení provést přibližně jeden výstřel za hodinu, což omezovalo množství dat, která bylo možné shromáždit. Nová zařízení, jako je ELI Beamlines, jsou však schopna provádět několik výstřelů za sekundu. Tyto možnosti umožňují statistické studie interakcí mezi laserem a terčem způsobem, který byl ještě před několika lety nemožný. To znamená, že k plnému využití schopností laserů je nutný posun ve způsobu navrhování a provádění experimentů.
„Infrastruktua P3 na ELI Beamlines představuje jedinečnou a všestrannou experimentální platformu pro sofistikované experimenty s vysokým elektromagnetickým polem a je dokonale přizpůsobena plánovanému programu v rámci tohoto projektu,“ říká Dr. Condamine. Dr. Weber podotýká: „Očekává se, že tato spolupráce mezi San Diegem a ELI Beamlines bude významným krokem vpřed pro sbližování americké vědecké obce a týmu ELI při společných experimentech.“
Důležitou součástí tohoto projektu je školení nové generace vědců na ELI Beamlines, aby mohli vyvinout techniky, které plně využijí repetičních schopností laserů. Studenti a postdoktorandi Kalifornské univerzity v San Diegu se budou rovněž školit v oblasti vývoje terčů pro lasery s vysokou opakovací frekvencí a získávání dat na novém laserovém zařízení GALADRIEL společnosti General Atomics, aby pomohli zvýšit efektivitu experimentů prováděných na ELI Beamlines.
Obrázek 2: Infrastruktura P3 (Plasma Physics Platform) na ELI Beamlines, kde budou probíhat experimenty.
„Jedná se o první projekt financovaný Grantovou agenturou České republiky a americkou National Science Foundation. Věřím, že nová spolupráce mezi agenturami povede k řadě úspěšných projektů a spolupracující vědecké týmy z České republiky a USA z ní budou profitovat,“ říká předseda GA ČR Dr. Petr Baldrian.
„Jsme nadšeni, že můžeme s našimi kolegy v České republice dále rozšiřovat mezinárodní vědeckou spolupráci v oblasti umělé inteligence, nanotechnologií a výzkumu plazmatu. Jsem optimistický, že toto bude první z mnoha projektů spolupráce mezi NSF a GA ČR,“ říká ředitel NSF Dr. Sethuraman Panchanathan.
Prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D., v orgánech GA ČR působil od roku 2011, nejprve jako člen hodnoticího panelu a od roku 2018 jako člen vědecké rady. Vystudoval strojní inženýrství na VUT v Brně. Vědeckou, výzkumnou a vývojovou činnost směřuje do oblasti tribologie, biotribologie a reologie. Působí jako ředitel Ústavu konstruování Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, který transformoval v mezinárodně uznávanou výzkumně vzdělávací instituci. Je řešitelem několika strategických projektů. Nejvýznamnějších výsledků dosáhl v oblasti elastohydrodynamiky, za které byl oceněn např. cenou Society of Tribologists and Lubrication Engineers nebo Japanese Society of Tribologists. Na VUT v Brně působí jako pedagog, garant dvou studijních programů, školitel a předseda oborové rady doktorského studijního programu. Ve výuce dlouhodobě rozvíjí badatelsky orientované pojetí výuky.