Enhancement of nonlinear pair production in a flying-focus pulse
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि फ्लाइंग-फोकस लेजर पल्स, जिनमें इंटरेक्शन समय बढ़ाने के लिए प्रकाश की गति से चलता हुआ एक फोकल पॉइंट होता है, पारंपरिक स्थिर-फोकस पल्स की तुलना में नॉनलीन ब्रेट-व्हीलर इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन पेयर उत्पादन की उपज को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाते हैं, जिसमें उच्च-ऊर्जा गामा फोटॉन के लिए सुधार 76% तक पहुँच जाता है।
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भौतिकी के गहन क्षेत्र में, जहाँ प्रकृति के नियमों को उनकी पूर्ण सीमाओं तक धकेला जाता है, वैज्ञानिक इस बात का अध्ययन करते हैं कि जब प्रकाश और पदार्थ को अकल्पनीय बलों के अधीन किया जाता है तो वे कैसे व्यवहार करते हैं। यह क्षेत्र, जिसे स्ट्रॉन्ग-फील्ड क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (strong-field quantum electrodynamics) के रूप में जाना जाता है, इस बात की खोज करता है कि क्या होता है जब विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र इतने तीव्र हो जाते हैं कि वे अंतरिक्ष के निर्वात (vacuum) से कणों को बाहर निकाल सकते हैं। सामान्य परिस्थितियों में, प्रकाश की एक किरण हानिरहित होती है, लेकिन यदि उस प्रकाश को पर्याप्त रूप से केंद्रित किया जाए, तो वह पदार्थ में परिवर्तित हो सकती है। विशेष रूप से, प्रकाश का एक एकल उच्च-ऊर्जा फोटॉन, जो प्रकाश का एक कण है, स्वतः ही एक इलेक्ट्रॉन और उसके प्रतिद्रव्यमान (antimatter) जुड़वां, यानी पॉज़िट्रॉन में क्षय हो सकता है। यह प्रक्रिया, जिसे नॉनलीन ब्रेट-व्हीलर पेयर प्रोडक्शन (nonlinear Breit-Wheeler pair production) कहा जाता है, एक तीव्र लेजर पल्स की उपस्थिति में होती है। हालांकि इस घटना को अतीत में देखा गया है, लेकिन इसके लिए आमतौर पर एक लेजर और अत्यधिक ऊर्जा वाली एक कण बीम के बीच टकराव की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं के लिए चुनौती हमेशा यह रही है कि इस रूपांतरण को अधिक कुशलता से कैसे किया जाए, जिससे लेजर ऊर्जा की समान मात्रा से कणों के अधिक जोड़े बनाए जा सकें।
भौधों की एक टीम ने अब यह दिखाया है कि लेजर पल्स को केंद्रित करने के तरीके को बदलकर इस उत्पादन दर को काफी बढ़ाया जा सकता है। एक विशिष्ट लेजर प्रयोग में, बीम को एक सूक्ष्म बिंदु पर केंद्रित किया जाता है, ठीक वैसे ही जैसे एक आवर्धक लेंस (magnifying glass) सूर्य के प्रकाश को केंद्रित करता है। तीव्रता का यह उच्चतम बिंदु स्थिर होता है; प्रकाश एक झपकी (flash) के रूप में इसके माध्यम से गुजरता है, और फोकस स्थान में स्थिर रहता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने एक अलग प्रकार के लेजर पल्स की जांच की जिसे "फ्लाइंग फोकस" (flying focus) कहा जाता है। इस सेटअप में, तीव्रता का उच्चतम बिंदु स्थिर नहीं रहता है। इसके बजाय, यह बीम के पथ के साथ एक प्रोग्राम करने योग्य गति पर चलता है। टीम ने एक परिदृश्य का अनुकरण (simulate) किया जहाँ गामा-रे फोटॉन की एक उच्च-ऊर्जा बीम एक दिशा में यात्रा करती है, जबकि एक शक्तिशाली लेजर पल्स विपरीत दिशा में यात्रा करती है। फ्लाइंग फोकस के मामले में, लेजर का अधिकतम तीव्रता वाला बिंदु प्रकाश की गति से आने वाले फोटॉन के साथ चलता है, प्रभावी रूप से उनके साथ चलता हुआ प्रतीत होता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह चलता हुआ फोकस फोटॉन के लिए लेजर क्षेत्र के साथ अंतःक्रिया (interact) करने के अवसर की एक बहुत लंबी खिड़की बनाता है। एक मानक स्थिर लेजर में, फोटॉन केवल एक बहुत ही संक्षिप्त क्षण के लिए चरम तीव्रता का अनुभव करते हैं जब वे फोकस से तेजी से गुजरते हैं। फ्लाइंग-फोकस परिदृश्य में, फोटॉन उच्चतम तीव्रता वाले क्षेत्र में बहुत लंबे समय तक फंसे रहते हैं क्योंकि फोकस उनका पीछा कर रहा होता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह विस्तारित अंतःक्रिया समय केवल लेजर की शक्ति बढ़ाने की तुलना में कहीं अधिक मूल्यवान है। एक जूल ऊर्जा वाले लेजर पल्स के लिए, फ्लाइंग-फोकस विधि ने समान ऊर्जा वाले पारंपरिक स्थिर लेजर की तुलना में काफी अधिक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े उत्पन्न किए। यह सुधार पर्याप्त था: 10 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के फोटॉन के लिए, पैदावार में 12 प्रतिशत की वृद्धि हुई; 20 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के लिए, यह 29 प्रतिशत बढ़ गई; और परीक्षण किए गए उच्चतम ऊर्जा, 50 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के लिए, जोड़े बनने की संख्या में 76 प्रतिशत की उछाल आई।
इस सफलता के पीछे का तंत्र एक श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) शामिल है। जब पहले फोटॉन इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के जोड़ों में क्षय होते हैं, तो ये नए बने कण स्वयं भी लगभग प्रकाश की गति से चलते हैं। फ्लाइंग-फोकस सेटअप में, ये नव-निर्मित कण एक विस्तारित अवधि के लिए लेजर के उच्च-तीव्रता वाले क्षेत्र के भीतर रहते हैं। चूंकि वे इस तीव्र क्षेत्र में बने रहते हैं, इसलिए वे अपने स्वयं के उच्च-ऊर्जा फोटॉन उत्सर्जित कर सकते हैं, जो फिर इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन के एक और पीढ़ी के जोड़ों में क्षय हो सकते हैं। यह कणों की एक श्रृंखला या 'कस्केड' (cascade) बनाता है। स्थिर लेजर इस प्रक्रिया को इतनी प्रभावी ढंग से बनाए नहीं रख सकता क्योंकि फोकस बहुत छोटा होता है; कण महत्वपूर्ण संख्या में माध्यमिक जोड़े उत्पन्न करने से पहले ही उच्च-तीव्रता वाले क्षेत्र से बाहर निकल जाते हैं। फ्लािंग फोकस, कणों के साथ चलकर, उन्हें निर्माण के इस "कारखाने" में बहुत लंबे समय तक बनाए रखता है, जिससे यह कैस्केड बड़ा हो सके।
अध्ययन सुझाव देता है कि यह विधि बहुत अधिक शक्तिशाली लेजर बनाने की आवश्यकता के बिना पेयर प्रोडक्शन को बढ़ाने का एक व्यावहारिक तरीका हो सकती है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि एक जूल ऊर्जा वाला लेजर पल्स, जिसे कसकर केंद्रित किया गया हो, इन परिणामों को प्राप्त कर सकता है यदि तीव्रता लगभग 10 की घात 20 वॉट प्रति वर्ग सेंटीमीटर तक पहुँच जाए। हालांकि यह तीव्रता अब तक के फ्लाइंग-फोकस लेजर द्वारा प्राप्त की गई तीव्रता से अधिक है, शोधकर्ता नोट करते हैं कि ऐसे पल्स बनाने की तकनीक तेजी से आगे बढ़ रही है। मुख्य लाभ यह है कि फ्लािंग-फोकस तकनीक केवल शक्ति बढ़ाने के बजाय अंतःक्रिया के समय को बढ़ाने पर निर्भर करती है, जो उपलब्ध ऊर्जा का अधिक कुशल उपयोग है। यह दृष्टिकोण विशेष रूप से भविष्य के उन प्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकता है जिनका उद्देश्य पदार्थ और प्रतिद्रव्य के मौलिक गुणों का अध्ययन करना है, या प्रयोगशाला खगोल भौतिकी (laboratory astrophysics) के अनुप्रयोगों के लिए जहाँ वैज्ञानिक ब्रह्मांड में पाए जाने वाली चरम स्थितियों को फिर से बनाने की कोशिश करते हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि लेजर के घूमने की ज्यामिति (geometry) को बदलकर ही, वैज्ञानिक प्रकाश से पदार्थ बनाने की एक बहुत बड़ी क्षमता को अनलॉक कर सकते हैं।
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