Czarne dziury i gwiazdy neutronowe należą do najgęstszych znanych obiektów we wszechświecie. W obrębie tych ekstremalnych środowisk astrofizycznych i wokół nich istnieje plazma, czwarty podstawowy stan materii obok ciał stałych, cieczy i gazów. W szczególności plazmy działające w tych ekstremalnych warunkach są znane jako relatywistyczne plazmy z parami elektron-pozyton, ponieważ składają się ze zbioru elektronów i pozytonów – wszystkie latające z prędkością bliską prędkości światła.
Choć takie plazmy są wszechobecne w warunkach głębokiego kosmosu, ich wyprodukowanie w warunkach laboratoryjnych okazało się wyzwaniem.
Teraz po raz pierwszy międzynarodowy zespół naukowców, w tym badacze z Laboratorium Energetyki Laserowej (LLE) Uniwersytetu w Rochester, wygenerował eksperymentalnie relatywistyczne wiązki plazmy o dużej gęstości z parą elektron-pozyton, wytwarzając od dwóch do trzech rzędów wielkości więcej par niż wcześniej informowano. Odkrycia zespołu pojawiają się w czasopiśmie Nature Communications.
Przełom otwiera drzwi do dalszych eksperymentów, które mogą doprowadzić do fundamentalnych odkryć na temat działania wszechświata.
„Laboratoryjne wytwarzanie „kul ognistych” plazmy składających się z materii, antymaterii i fotonów jest celem badawczym będącym w czołówce nauki o wysokiej gęstości energii” – mówi główny autor Charles Arrowsmith, fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego, który dołącza do LLE jesienią. „Jednak trudności eksperymentalne związane z wytwarzaniem dostatecznie dużych par elektron-pozyton ograniczają do tej pory naszą wiedzę do badań czysto teoretycznych”.
Badacze z Rochester, Dustin Froula, dyrektor wydziału nauki i inżynierii plazmy i ultraszybkich laserów w LLE, oraz Daniel Haberberger, pracownik naukowy w LLE, współpracowali z Arrowsmith i innymi naukowcami, aby zaprojektować nowatorski eksperyment z wykorzystaniem obiektu HiRadMat w superprotonowym synchrotronie ( akcelerator SPS) w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) w Genewie w Szwajcarii.
Eksperyment ten wygenerował niezwykle wysoką wydajność quasi-neutralnych wiązek par elektron-pozyton, wykorzystując ponad 100 miliardów protonów z akceleratora SPS. Każdy proton niesie ze sobą energię kinetyczną 440 razy większą niż jego energia spoczynkowa. Ze względu na tak duży pęd, gdy proton rozbija atom, ma wystarczającą energię, aby uwolnić swoje wewnętrzne składniki – kwarki i gluony – które następnie natychmiast łączą się ponownie, tworząc deszcz, który ostatecznie rozpada się na elektrony i pozytony.
Innymi słowy, wiązka wygenerowana w laboratorium zawierała wystarczającą liczbę cząstek, aby zacząć zachowywać się jak prawdziwa plazma astrofizyczna.
„Otwiera to zupełnie nową granicę w astrofizyce laboratoryjnej, umożliwiając eksperymentalne badanie mikrofizyki rozbłysków gamma i dżetów blazarów” – mówi Arrowsmith.
Zespół opracował także techniki modyfikowania emitancji par wiązek, umożliwiając prowadzenie kontrolowanych badań interakcji plazmy w skalowanych analogach układów astrofizycznych.
„Teleskopy satelitarne i naziemne nie są w stanie dostrzec najdrobniejszych szczegółów tych odległych obiektów i jak dotąd mogliśmy polegać jedynie na symulacjach numerycznych. Nasze prace laboratoryjne pozwolą nam przetestować przewidywania uzyskane na podstawie bardzo wyrafinowanych obliczeń i potwierdzić wpływ kosmicznych kul ognia przez wątłą plazmę międzygwiazdową” – mówi współautor Gianluca Gregori, profesor fizyki na Uniwersytecie Oksfordzkim.
Co więcej, dodaje: „To osiągnięcie podkreśla znaczenie wymiany i współpracy między placówkami eksperymentalnymi na całym świecie, zwłaszcza że otwierają one nowe możliwości w zakresie dostępu do coraz bardziej ekstremalnych reżimów fizycznych”.
Oprócz LLE, Uniwersytetu Oksfordzkiego i CERN do instytucji współpracujących w ramach tych badań należą Rada ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych Rutherford Appleton Laboratory (STFC RAL), Uniwersytet Strathclyde, Instytut Broni Atomowej w Wielkiej Brytanii, Laboratorium Narodowe Lawrence Livermore , Instytut Fizyki Jądrowej Maxa Plancka, Uniwersytet Islandzki i Instituto Superior Técnico w Portugalii.
Odkrycia zespołu wynikają z ciągłych wysiłków na rzecz postępu w nauce o plazmie poprzez zderzanie laserów o ultrawysokiej intensywności, a kierunek badań będzie badany w ośrodku NSF OPAL.