Experimento NA63

El experimento NA63 tiene como objetivo estudiar el proceso de radiación en campos electromagnéticos intensos . Ubicado en el CERN , en el Área Norte, es un experimento de blanco fijo que utiliza haces de electrones secundarios H4 del SPS , los cuales se dirigen a diferentes blancos. Estos están hechos de diversos elementos, desde el carbono y el silicio , relativamente ligeros , hasta el hierro y el estaño , más pesados, pasando por el tungsteno , el oro y el plomo , y pueden ser amorfos o monocristalinos (por ejemplo, de diamante ).

Este experimento forma parte del programa de investigación SPS y comenzó a recopilar datos en 2010 con el Sr. Ulrik Ingerslev Uggerhoj como portavoz. ^{[ 1 ]}

Uno de los principales objetivos de NA63 es estudiar la producción de tridente "tipo Klein". Este fenómeno ocurre en campos electromagnéticos muy fuertes, cuando un electrón en movimiento penetra el campo y emite un par electrón/positrón . Para que esto suceda, el campo debe ser mayor que el llamado campo crítico E0 = 1,32*10^16 V/cm-1, ^{[ 2 ]} que es imposible de producir en un laboratorio. Sin embargo, en el caso de blancos cristalinos, ^{[ 3 ]} las partículas penetrantes experimentan un campo electromagnético cercano a ese crítico teórico. De hecho, si los electrones entran en el cristal con un pequeño ángulo de incidencia a una dirección cristalográfica (eje o plano) en un monocristal, los campos eléctricos de sus constituyentes se suman coherentemente , produciendo un campo total de alrededor de 10^11 V/cm que entonces se ha vuelto continuo y macroscópico . Si el cristal se rota desde una configuración amorfa, entonces en el sistema de referencia del electrón, los campos nucleares se suman coherentemente en la dirección del movimiento y el campo total puede finalmente alcanzar los 10^16 V/cm buscados. ^{[ 2 ]}

En tales campos, un electrón puede ganar una energía correspondiente a la producción de un nuevo par electrón-positrón, si se transporta a lo largo de una distancia dada por la incertidumbre cuántica de su ubicación  : Δd = ƛ = ħ/mc. Por lo tanto, se espera una producción significativa de nuevas partículas —y se observa ^{[ 2 ]} — una vez que el campo en el sistema de referencia del electrón se vuelve crítico.

Estos campos generalmente solo se observan en fenómenos astrofísicos, como estrellas de neutrones altamente magnetizadas, agujeros negros (donde el campo gravitatorio es intenso en lugar del electromagnético, como en NA63), donde la radiación de Hawking es un análogo cercano y, quizás, en los aceleradores cósmicos que dan origen a rayos cósmicos de las energías más altas conocidas. Mediante un enfoque especial que emplea blancos cristalinos y haces energéticos del SPS (~100 GeV), NA63 ha logrado probar procesos en dichos campos en el laboratorio.

Otra línea de investigación para NA63 es el efecto de los campos electromagnéticos intensos en la duración del proceso de emisión de fotones . Específicamente, los campos de magnitud crítica tienen un efecto interesante en el tiempo que tarda un electrón en emitir un fotón .

Un electrón que entra en un campo eléctrico se acelera y, por lo tanto, debe perder parte de su energía en forma de fotón mediante el efecto Bremsstrahlung, el proceso por el cual una partícula cargada emite radiación electromagnética al desacelerarse al pasar por un átomo, por ejemplo, en un material sólido. Al explotar los fenómenos relativistas de dilatación del tiempo y contracción de la longitud , el experimento NA63 ha demostrado que este proceso de emisión de fotones no es instantáneo, sino que requiere tiempo. ^{[ 4 ]} Debido a que el proceso requiere tiempo, la producción de fotones puede ser influenciada experimentalmente. Para partículas no relativistas, este tiempo es tan corto que las investigaciones son muy difíciles, si no imposibles. Pero para las partículas relativistas utilizadas por NA63, su tiempo se "ralentiza" en un factor de aproximadamente medio millón debido al efecto relativista de la dilatación del tiempo, lo que hace posibles las investigaciones.

En un campo electromagnético crítico, por el contrario, los electrones se desvían con tanta fuerza que no tienen tiempo suficiente para emitir fotones. Por lo tanto, ajustar el campo electromagnético más allá de un nivel crítico puede modificar el espectro de radiación resultante de un haz de electrones: al aumentar el campo, disminuye el rendimiento de radiación relativo del haz. NA63 está investigando estos efectos, y uno de los principales resultados mostrados hasta ahora es la medición de correcciones cuánticas a la radiación de sincrotrón ^{[ 5 ]} , que normalmente solo se observa en su forma clásica en un anillo de sincrotrón (de almacenamiento).

La reacción de radiación es un problema de larga data en electrodinámica . En resumen, se refiere a la reacción inversa de un fotón emitido sobre la partícula cargada que lo emite. En la teoría clásica , las soluciones de las ecuaciones de movimiento conducen a consecuencias absurdas, como conflictos con la conservación de la energía o la causalidad . En la versión cuántica, la llamada electrodinámica cuántica (QED), el problema está resuelto en principio, ya que se conocen las técnicas necesarias. Sin embargo, las dificultades de cálculo son considerables y solo se han resuelto problemas relativamente sencillos. Resulta que los campos intensos son una vía para abordar el problema experimentalmente, y la colaboración NA63 (miembros de la misma) ha allanado el camino tanto teórica ^{[ 6 ]} como experimentalmente ^{[ 7 ] .}

Los efectos de los campos intensos y los tiempos de emisión son relevantes en muchas otras ramas de la física, desde el llamado "régimen de burbuja" en los campos de estela de plasma utilizados para la aceleración de partículas con gradientes extremadamente altos , pasando por objetos astrofísicos como los magnetares ( estrellas de neutrones fuertemente magnetizadas ), hasta láseres intensos y colisiones de iones pesados. Los conceptos estudiados en NA63 incluso se aplican en un análogo gravitacional : la radiación de Hawking de los agujeros negros , que aún no se ha detectado. Finalmente, aunque se puede lograr un entorno mucho más "limpio" con interacciones electrón-láser para abordar experimentalmente el problema de la reacción de radiación , todavía faltan algunos años, quizás décadas, para que dispongamos de láseres con la intensidad suficiente para realizar investigaciones exhaustivas. Con las interacciones electrón-cristal, NA63 ya ha abordado el problema experimentalmente.

El efecto Unruh podría haberse observado por primera vez en la radiación de canalización de alta energía explorada por NA63. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

1. Christian Flohr Nielsen (portavoz): https://orcid.org/0000-0002-8763-780X
2. Ulrik Uggerhøj  : http://orcid.org/0000-0002-8229-1512
3. Tobías Wistisen: https://orcid.org/0000-0001-8103-9860
4. Robert Holtzapple: http://orcid.org/0000-0003-2726-1131
5. Antonino Di Piazza: https://orcid.org/0000-0003-1018-0458
6. Simon H. Connell : http://orcid.org/0000-0001-6000-7245
7. Jens Bo Justesen: https://orcid.org/0000-0003-2525-6793
8. Allan H. Sørensen.
9. Mads Middelhede Lund https://orcid.org/0000-0001-9859-9506
10. Marc Breiner Sørensen
11. Sofie Jastrup Lanng

• Registro del experimento CERN-NA-063 en INSPIRE-HEP
• Rayos cósmicos  : partículas del espacio exterior  : https://home.cern/about/physics/cosmic-rays-particles-outer-space
• Colisiones de iones pesados  : https://home.cern/about/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma