Light My Fireball: עיבוד אמן של חור שחור הפולט סילון גז חם המכונה פלזמה. צוות בינלאומי של מדענים, כולל חוקרי רוצ'סטר, יצר "כדורי אש" פלזמה בניסוי, ופותח גבול חדש באסטרופיזיקה מעבדתית. קרדיט: NASA/JPL-Caltech
צוות בינלאומי של מדענים פיתח דרך חדשה לייצור ניסיוני פְּלַסמָה 'כדורי אש' על פני כדור הארץ.
חוקרים יצרו בהצלחה פלזמות אלקטרונים-פוזיטרון רלטיביסטיות במסגרת מעבדה, המדמים תנאים שנמצאו ליד חורים שחורים וכוכבי נויטרונים. עבודה פורצת דרך זו, הכוללת מוסדות כמו אוניברסיטת רוצ'סטר ו CERNפותחת אפיקים חדשים לחקר תופעות אסטרופיזיות מורכבות.
סביבות אסטרופיזיות קיצוניות
חורים שחורים וכוכבי נויטרונים הם מהעצמים הצפופים ביותר הידועים ביקום. בתוך ומסביב לסביבות אסטרופיזיות קיצוניות אלו קיימות פלזמות, המצב הבסיסי הרביעי של החומר לצד מוצקים, נוזלים וגזים. באופן ספציפי, הפלזמות בתנאים קיצוניים אלו ידועות כפלזמות זוג אלקטרונים-פוזיטרון יחסיות מכיוון שהן מהוות אוסף של אלקטרונים ופוזיטרונים – כולם עפים כמעט במהירות האור.
פריצת דרך בייצור פלזמה במעבדה
בעוד פלזמות כאלה נמצאות בכל מקום בתנאי חלל עמוקים, ייצורן במסגרת מעבדה הוכיח את עצמו כמאתגר.
כעת, לראשונה, צוות בינלאומי של מדענים, כולל חוקרים מהמעבדה לאנרגטיקה לייזר של אוניברסיטת רוצ'סטר (LLE), יצר בניסוי קרני פלזמה רלטיביסטיות של אלקטרון-פוזיטרון זוג-אלקטרון-פוזיטרון על ידי הפקת שניים עד שלושה סדרי גודל. יותר זוגות ממה שדווח בעבר. ממצאי הצוות מופיעים ב תקשורת טבע.
פריצת הדרך פותחת דלתות לניסויי המשך שיכולים להניב תגליות בסיסיות לגבי אופן פעולת היקום.
איך זה עובד: פרוטון (קיצוני משמאל) מהמאיץ Super Proton Synchrotron (SPS) ב-CERN פוגע בגרעיני פחמן (כדורים אפורים קטנים). זה מייצר מקלחת של חלקיקים אלמנטריים שונים, כולל מספר רב של פיונים ניטרליים (כדורים כתומים). כשהפיונים הנייטרליים הלא יציבים מתפוררים, הם פולטים שתי קרני גמא בעלות אנרגיה גבוהה (חצים צהובים מתפתלים). קרני גמא אלו מקיימות אינטראקציה עם השדה החשמלי של גרעיני טנטלום (כדורים אפורים גדולים), יוצרות צמדי אלקטרונים ופוזיטרונים וכתוצאה מכך נוצרת פלזמת כדור האש החדשנית של אלקטרונים-פוזיטרון. בגלל השפעות המפל הללו, פרוטון בודד יכול ליצור אלקטרונים ופוזיטרונים רבים, מה שהופך את התהליך הזה של ייצור פלזמה זוגי ליעיל ביותר. קרדיט: מעבדת אוניברסיטת רוצ'סטר לאיור אנרגטי לייזר / הת'ר פאלמר
השלכות על מדע בצפיפות אנרגיה גבוהה
"הדור המעבדתי של 'כדורי אש' פלזמה המורכבים מחומר, אנטי-חומר ופוטונים הוא יעד מחקר בחזית המדע בצפיפות אנרגיה גבוהה", אומר המחבר הראשי צ'רלס ארוסמית', פיזיקאי מה- אוניברסיטת אוקספורד שמצטרף ל-LLE בסתיו. "אבל הקושי הניסיוני לייצר צמדי אלקטרונים-פוזיטרון במספרים גבוהים מספיק הגביל, עד לנקודה זו, את ההבנה שלנו למחקרים תיאורטיים בלבד."
טכניקות ניסוי חדשניות
חוקרי רוצ'סטר, דסטין פרוולה, מנהל החטיבה למדע והנדסה של פלזמה ולייזר מהיר במיוחד ב-LLE, ודניאל הברברגר, מדען צוות ב-LLE, שיתפו פעולה עם Arrowsmith ומדענים אחרים כדי לתכנן ניסוי חדשני הרותם את מתקן HiRadMat בסינכרוטרון הסופר פרוטון ( מאיץ SPS) בארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN) בז'נבה, שוויץ.
הניסוי הזה יצר תשואות גבוהות במיוחד של אלומות זוג אלקטרונים-פוזיטרון מעין-נייטרליות באמצעות יותר מ-100 מיליארד פרוטונים ממאיץ SPS. כל פרוטון נושא אנרגיה קינטית שגדולה פי 440 מאנרגיית המנוחה שלו. בגלל מומנטום כה גדול, כאשר הפרוטון מנפץ א אָטוֹםיש לו מספיק אנרגיה כדי לשחרר את המרכיבים הפנימיים שלו – קווארקים וגלואונים – אשר לאחר מכן מתחברים מחדש ומייצרים מקלחת שבסופו של דבר מתפרקת לאלקטרונים ולפוזיטרון.
פרוטון (קיצוני משמאל) מהמאיץ Super Proton Synchrotron (SPS) ב-CERN פוגע בגרעיני פחמן (כדורים אפורים קטנים). זה מייצר מקלחת של חלקיקים אלמנטריים שונים, כולל מספר רב של פיונים ניטרליים (כדורים כתומים). כשהפיונים הנייטרליים הלא יציבים מתפוררים, הם פולטים שתי קרני גמא בעלות אנרגיה גבוהה (חצים צהובים מתפתלים). קרני גמא אלו מקיימות אינטראקציה עם השדה החשמלי של גרעיני טנטלום (כדורים אפורים גדולים), יוצרות צמדי אלקטרונים ופוזיטרונים וכתוצאה מכך נוצרת פלזמת כדור האש החדשנית של אלקטרונים-פוזיטרון. בגלל השפעות המפל הללו, פרוטון בודד יכול ליצור אלקטרונים ופוזיטרונים רבים, מה שהופך את התהליך הזה של ייצור פלזמה זוגי ליעיל ביותר. קרדיט: מעבדת אוניברסיטת רוצ'סטר לאיור אנרגטי לייזר / הת'ר פאלמר
יצירת פלזמות אסטרופיזיות במעבדה
במילים אחרות, בקרן שהם יצרו במעבדה היו מספיק חלקיקים כדי להתחיל להתנהג כמו פלזמה אסטרופיזית אמיתית.
"זה פותח גבול חדש לחלוטין באסטרופיזיקה מעבדתית בכך שהוא מאפשר לחקור ניסיוני את המיקרופיזיקה של התפרצויות קרני גמא או סילוני בלאזאר", אומר Arrowsmith.
הצוות פיתח גם טכניקות לשינוי הפליטה של קרני זוג, מה שמאפשר לבצע מחקרים מבוקרים של אינטראקציות פלזמה באנלוגים מותאמים של מערכות אסטרופיזיקליות.
שיפור ההבנה של תופעות קוסמיות
"טלסקופי לוויין וקרקע אינם מסוגלים לראות את הפרטים הקטנים ביותר של אותם עצמים רחוקים ועד כה יכולנו להסתמך רק על הדמיות מספריות. עבודת המעבדה שלנו תאפשר לנו לבחון את התחזיות שהתקבלו מחישובים מתוחכמים מאוד ולאמת כיצד כדורי אש קוסמיים מושפעים מהפלזמה הבין-כוכבית הקלושה", אומרת מחברת-שותפה ג'אנלוקה גרגורי, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת אוקספורד.
יתרה מכך, הוא מוסיף, "ההישג מדגיש את החשיבות של חילופי דברים ושיתוף פעולה בין מתקני ניסוי ברחבי העולם, במיוחד כשהם פורצים דרך בגישה למשטרים פיזיים קיצוניים יותר ויותר".
הממצאים של הצוות מגיעים על רקע מאמצים מתמשכים לקדם את מדע הפלזמה על ידי התנגשות בלייזרים בעלי עוצמה אולטרה-גבוהה, שדרת מחקר שתיחקר באמצעות מתקן NSF OPAL.
בנוסף ל-LLE, אוניברסיטת אוקספורד ו-CERN, המוסדות המשתפים פעולה במחקר זה כוללים את מועצת מתקני המדע והטכנולוגיה Rutherford Appleton Laboratory (STFC RAL), אוניברסיטת Strathclyde, מפעל הנשק האטומי בבריטניה, המעבדה הלאומית לורנס ליברמור. , מכון מקס פלנק לפיזיקה גרעינית, אוניברסיטת איסלנד, וה-Instituto Superior Técnico בפורטוגל.
פרויקט זה קיבל מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon Europe של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מס' 101057511 (EURO-LABS).
