反物質を生成するために真空を破ることができる最も強力なレーザー

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本記事は、The Most Powerful Laser Than Can Break The Vacuum To Generate Antimatterを
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約2分51秒

●研究者たちは、何もない空間を破壊して反物質と物質を生成できる100ペタワットのレーザーの開発を計画しています。

●このレーザーは、3マイクロメートルの精度でスポットターゲットを狙うことができます。

●これは、高エネルギー物理学や医学で使用するための、粒子を加速する新しい方法のデモンストレーションです。

Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF)と名付けられたこのレーザーは、チタンを添加したサファイアを小さな円筒形の構造にしたものです。このシステムでは、結晶内で光を発生させた後、鏡やレンズを使って光を分岐させ、驚異的なパワーのパルスに変換します。

この強力なパルスは、鉛筆の太さの約2,000分の1に相当する3マイクロメートルの精密なスポットに照射することができます。研究チームはすでに5.3ペタワットの出力を持つレーザーを開発しています。レーザーを発射するたびに、光の強さが減ることはありません。しかし、その持続時間は1兆分の1秒にも満たない非常に短いものです。

今後の展望

現在、チームは2018年末までに10ペタワットの自己記録を更新すべく、レーザーを強化しています。これは、全世界の電力網を合わせたものの1,000倍以上のパワーに相当します。

計画はここで終わりません。まもなく、「Station of Extreme Light（SEL）」と呼ばれる100ペタワットのレーザーの開発に着手します。2023年末（予定）には、このレーザーが地下20メートルのチャンバーに強力なパルスを発生させ、ターゲットに巨大な圧力と温度を与えることができるようになります。

利用方法

さて、最も重要な問題は、このレーザーがどのように役立つかということです。電子だけでなく、反物質である陽電子も真空中で引き裂くことができる（「真空破壊」とも呼ばれる）。

上海のレーザーが出力の新記録を達成した｜Credit: Kan Zhan

これは、高エネルギー物理学や医学で使用される粒子を加速する新しい方法のデモンストレーションです。また、物理学で最も有名な方程式の一つであるE=mc2が示すように、エネルギーと物質が交換可能であることを図示することにもなります。核兵器は物質を大量の光と熱に変換するが、その逆の変換は容易ではありません。

競争

今後数年のうちに、チェコ共和国とルーマニアでは、「ヨーロッパにおける極端な光のインフラストラクチャー」の一環として、10ペタワットの計測器のスイッチが入るはずです。最近、このプロジェクトは、100ペタワット規模の装置を開発するという野望を明らかにしました。

実際、ロシアの物理学者は「エクサワット極端光研究センター（XCELS）」と呼ばれる180ペタワットのレーザーの設計図を作成し、日本の科学者は30ペタワットの装置を提案しています。

また、ニューヨーク州のローチェスター大学では、75ペタワットの「OPAL（Optical Parametric Amplifier Line）」と呼ばれるレーザー装置の建設が計画されています。この装置には、米国で最も強力なレーザーであるOMEGA-EPが使用されます。

さらなる高出力を目指して

高出力化のための最良の方法の一つは、パルスエネルギーをより短い時間に詰め込むことです。そのためには、チタンを添加したサファイア結晶で光を強めることが必要です。このようにして得られたパルスは、ミラー付きのレーザーチャンバーの中で往復します。

この設定により、個々の周波数成分がパルスの長さの大部分で互いに打ち消し合い、非常に短い（フェムト秒）瞬間的なパルスでは互いに強め合うようにすることができます。これらのパルスに数百ジュールの追加エネルギーを加えて積分すると、最大で10ペタワットの電力が得られます。

これは、35億ドルを投じた米国国立点火施設のシステムが、1ペタワットのパルスを長時間発生させるのに比べて、数千万ドルの費用で大きな部屋に設置することができます。

10ペタワットから100ペタワットへと、パルスの出力をさらに大きくするには、さらに努力が必要です。簡単な方法は、パルスのエネルギーを100ジュールから1000ジュールにすることですが、チタンを添加したサファイアでは、そのようなエネルギーに対応できないという大きな問題があります。

そこで研究者たちは、パラメトリック増幅器に焦点を移し、（光格子からの）パルスを人工的な非線形結晶に伝送します。その結果得られた強力なパルスを再び圧縮すれば、より多くのエネルギーを生み出すことができるでしょう。

将来的には、電子を加速する高繰り返しのペタワットパルスによって、全長30kmの電子・陽電子衝突型加速器である大型ハドロン衝突型加速器の後継機のコストを削減できるかもしれません。さらに、100ペタワットのパルスを使ったシステムは、現在の100億ドルのマシンに比べて10倍も安く、短くなる可能性があります。