Ett internationellt forskarlag har utvecklat ett nytt sätt att experimentellt producera ”eldklot” av plasma på jorden.
Svarta hål och neutronstjärnor är bland de tätaste kända objekten i universum. I och runt dessa extrema astrofysiska miljöer finns plasmor, det fjärde grundläggande tillståndet i materia vid sidan av fasta ämnen, vätskor och gaser. Plasmorna vid dessa extrema förhållanden kallas relativistiska elektron-positronparplasmor eftersom de består av en samling elektroner och positroner – som alla flyger runt i nästan ljusets hastighet.
Även om sådana plasmor är vanligt förekommande i rymden har det visat sig vara en utmaning att producera dem i laboratoriemiljö.
Nu har ett internationellt team av forskare, inklusive forskare från University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE), för första gången experimentellt genererat relativistiska elektron-positron-par-plasmastrålar med hög densitet genom att producera två till tre storleksordningar fler par än vad som tidigare rapporterats. Teamets resultat publiceras i Nature Communications.
Genombrottet öppnar dörrarna för uppföljningsexperiment som kan leda till grundläggande upptäckter om hur universum fungerar.
”Att i laboratorium generera plasma-”eldklot” som består av materia, antimateria och fotoner är ett forskningsmål som ligger i framkant inom vetenskap med hög energitäthet”, säger huvudförfattaren Charles Arrowsmith, en fysiker från University of Oxford som kommer till LLE i höst.
”Men den experimentella svårigheten att producera elektron-positronpar i tillräckligt höga antal har hittills begränsat vår förståelse till rent teoretiska studier.”
Rochesterforskarna Dustin Froula, divisionschef för plasma- och ultrasnabb laservetenskap och teknik vid LLE, och Daniel Haberberger, forskare vid LLE, samarbetade med Arrowsmith och andra forskare för att utforma ett nytt experiment som utnyttjade HiRadMat-anläggningen vid Super Proton Synchrotron (SPS)-acceleratorn vid Europeiska organisationen för kärnforskning (CERN) i Genève, Schweiz.
Experimentet genererade extremt höga utbyten av kvasi-neutrala elektron-positronparstrålar med hjälp av mer än 100 miljarder protoner från SPS-acceleratorn. Varje proton har en rörelseenergi som är 440 gånger större än dess viloenergi. När protonen krossar en atom har den tillräckligt med energi för att frigöra dess inre beståndsdelar – kvarkar och gluoner – som sedan omedelbart rekombineras och bildar en dusch som slutligen sönderfaller i elektroner och positroner.
Med andra ord hade den stråle som de genererade i labbet tillräckligt med partiklar för att börja bete sig som ett riktigt astrofysiskt plasma.
”Det här öppnar upp för helt nya möjligheter inom astrofysiken i laboratoriet genom att göra det möjligt att experimentellt undersöka mikrofysiken i gammablixtar eller blazarstrålar”, säger Arrowsmith.
Teamet har också utvecklat tekniker för att modifiera emittansen hos parstrålar, vilket gör det möjligt att utföra kontrollerade studier av plasmainteraktioner i skalenliga analoger av astrofysiska system.
”Satellit- och markteleskop kan inte se de minsta detaljerna i dessa avlägsna objekt och hittills har vi bara kunnat förlita oss på numeriska simuleringar. Vårt laboratoriearbete kommer att göra det möjligt för oss att testa dessa förutsägelser från mycket sofistikerade beräkningar och validera hur kosmiska eldklot påverkas av den tunna interstellära plasman”, säger Gianluca Gregori, professor i fysik vid University of Oxford, som är medförfattare till rapporten.
Dessutom tillägger han: ”Resultatet visar hur viktigt det är med utbyte och samarbete mellan experimentanläggningar runt om i världen, särskilt när de bryter ny mark för att komma åt alltmer extrema fysikaliska regimer.”
Förutom LLE, University of Oxford och CERN samarbetar även Science and Technology Facilities Council Rutherford Appleton Laboratory (STFC RAL), University of Strathclyde, Atomic Weapons Establishment i Storbritannien, Lawrence Livermore National Laboratory, Max Planck Institute for Nuclear Physics, University of Iceland och Instituto Superior Técnico i Portugal med denna forskning.
Teamets resultat kommer mitt i pågående ansträngningar för att främja plasmavetenskap genom att kollidera ultrahögintensiva lasrar, en forskningsväg som kommer att utforskas med hjälp av NSF OPAL Facility.
Ytterligare information: C. D. Arrowsmith et al, Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49346-2
