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

Плазма широко распространена в условиях глубокого космоса, ее производство в лабораторных условиях — сложная задача. Впервые, международная группа ученых, в том числе исследователи из Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Рочестерского университета, экспериментально сгенерировала релятивистские электрон-позитронные парные плазменные пучки высокой плотности, производя на 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 работает Вселенная.

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 его 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 создали 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 плазменных взаимодействий 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, добавляет он: «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, Оксфордского университета и ЦЕРН, в число сотрудничающих учреждений в этом исследовании входят Лаборатория Резерфорда Эпплтона Совета по науке и технологиям (STFC RAL), Университет Стратклайда, Учреждение по атомному оружию в Великобритании, Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса, Институт ядерной физики Макса Планка, Исландский университет и Высший технический институт в Португалии.

Выводы команды появились на фоне продолжающихся усилий по развитию науки о плазме путем столкновения лазеров сверхвысокой интенсивности — направления исследований, которое будет изучаться с использованием установки NSF OPAL.