Парную плазму, найденную в глубоком космосе, теперь можно генерировать в лаборатории

Важные новости

Парные плазмы обнаружены в глубокий космос теперь можно создать в лаборатории

Как это работает: Протон (крайний слева) из суперпротонного синхротрона (SPS) в ЦЕРН сталкивается с ядрами углерода (маленькие серые сферы). Это создает ливень различных элементарных частиц, включая большое количество нейтральных пионов (оранжевые сферы). При распаде нестабильных нейтральных пионов они испускают два гамма-луча высокой энергии (желтые волнистые стрелки). Эти гамма-лучи затем взаимодействуют с электрическим полем ядер тантала (большие серые сферы), генерируя пары электронов и позитронов и образуя новую электрон-позитронную плазму огненного шара. Из-за этих каскадных эффектов один протон может генерировать множество электронов и позитронов, что делает этот процесс образования парной плазмы чрезвычайно эффективным. Фото: Лаборатория лазерной энергетики Университета Рочестера/Хизер Палмер

Международная группа ученых разработала новый способ экспериментального производства плазменных «огненных шаров» на Земле.

Черные дыры и нейтронные звезды являются одними из самых плотных известных объектов во Вселенной. Внутри и вокруг этих экстремальных астрофизических сред существует плазма, четвертое фундаментальное состояние материи наряду с твердыми телами, жидкостями и газами. В частности, плазма в этих экстремальных условиях известна как релятивистская плазма электрон-позитронных пар, поскольку она представляет собой совокупность электронов и позитронов – все летают со скоростью, близкой к скорости света.

Хотя такая плазма распространена повсеместно в условиях глубокого космоса, их производство в лабораторных условиях оказалось сложной задачей.

Теперь, впервые, международная группа ученых, в том числе исследователи из Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Рочестерского университета, экспериментально сгенерировала релятивистские электрон-позитронные парно-плазменные пучки высокой плотности, производя два-три порядка величины больше пар, чем сообщалось ранее. Выводы команды опубликованы в журнале Nature Communications.

Этот прорыв открывает двери для последующих экспериментов, которые могут привести к фундаментальным открытиям о том, как устроена Вселенная.

«Лабораторная генерация плазменных «огненных шаров», состоящих из материи, антиматерии и фотонов, является исследовательской целью на переднем крае науки о высокой плотности энергии», — говорит ведущий автор Чарльз Эрроусмит, физик из Оксфордского университета, который присоединяется к LLE. осенью.

«Но экспериментальная трудность создания электрон-позитронных пар в достаточно большом количестве до сих пор ограничивала наше понимание чисто теоретическими исследованиями».

Исследователи из Рочестера Дастин Фрула, директор отдела плазменной и сверхбыстрой лазерной науки и техники в LLE, и Дэниел Хабербергер, научный сотрудник LLE, сотрудничали с Эрроусмитом и другими учеными для разработки нового эксперимента с использованием установки HiRadMat на суперпротонном синхротроне ( SPS) ускоритель Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария.

Этот эксперимент позволил получить чрезвычайно высокие выходы квазинейтральных пучков электрон-позитронных пар с использованием более 100 миллиардов протонов ускорителя SPS. Каждый протон несет кинетическую энергию, в 440 раз превышающую его энергию покоя. Из-за такого большого импульса, когда протон разбивает атом, он обладает достаточной энергией, чтобы высвободить свои внутренние составляющие — кварки и глюоны — которые затем немедленно рекомбинируются, образуя поток, который в конечном итоге распадается на электроны и позитроны.

Другими словами, луч, который они сгенерировали в лаборатории, содержал достаточно частиц, чтобы начать вести себя как настоящая астрофизическая плазма.

«Это открывает совершенно новые горизонты в лабораторной астрофизике, позволяя экспериментально исследовать микрофизику гамма-всплесков или блазарных струй», — говорит Эрроусмит.

Команда также разработала методы изменения эмиттанса. парных пучков, что позволяет проводить контролируемые исследования взаимодействия плазмы в масштабных аналогах астрофизических систем.

«Спутниковые и наземные телескопы не способны увидеть мельчайшие детали этих далеких объектов, и до сих пор мы могли полагаться только на численное моделирование. Наша лабораторная работа позволит нам проверить эти предсказания, полученные в результате очень сложных расчетов, и подтвердить, как на них влияют космические огненные шары. разреженной межзвездной плазмой», — говорит соавтор Джанлука Грегори, профессор физики Оксфордского университета.

Более того, он добавляет: «Это достижение подчеркивает важность обмена и сотрудничества между экспериментальными установками по всему миру, особенно потому, что они открывают новые возможности в доступе к все более экстремальным физическим режимам».

Помимо LLE, Университета Оксфорд и ЦЕРН, в число сотрудничающих учреждений в этом исследовании входят Лаборатория Резерфорда Эпплтона Совета по науке и технологиям (STFC RAL), Университет Стратклайда, Институт атомного оружия в Великобритании, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Институт ядерного оружия Макса Планка. Физика, Исландский университет и Высший технологический институт в Португалии.

Результаты группы появились на фоне продолжающихся усилий по развитию науки о плазме путем взаимодействия лазеров сверхвысокой интенсивности — направления исследований, которое будет изучено. с использованием установки NSF OPAL.

Дополнительная информация: К. Д. Эрроусмит и др., Лабораторная реализация релятивистских парных плазменных пучков, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49346-2

Информация журнала: Nature Communications

Предоставлено Рочестерским университетом

Новости сегодня

Последние новости