Supercomputersimulering åbner udsigt til at opnå ultra-tætte elektron-positronplasmaer

Fysikere fra Institute of Applied Physics ved det russiske videnskabsakademi, forskere fra Chalmers University of Technology og computerforskere fra Lobachevsky University har udviklet et nyt softwareværktøj kaldet PICADOR til numerisk modellering af laserplasma på moderne supercomputere.

Arbejdet med PICADOR-softwaresystemet startede i 2010. PICADOR er en parallel implementering af partikel-i-celle-metoden, der er blevet optimeret til moderne heterogene klyngesystemer. Projektet kombinerede kompetencer og indsats fra eksperter fra mange områder, og dermed blive grundlaget for den gennemtænkte optimering og udvikling af nye computermetoder, der tager hensyn til forskellige fysiske processer. Til sidst, dette åbnede vejen for et gennembrud i modelleringskapaciteter i en række forskningsprojekter. Systemets funktionelle kapacitet og ydeevne gør det muligt at udføre numeriske simuleringer i en række problemer i spidsen for moderne laserplasmafysik.

I deres artikel offentliggjort i Videnskabelige rapporter , Nizhny Novgorod-forskere formulerede de betingelser, hvorunder den lavine-lignende generation af elektroner og positroner i fokus for en højeffekt laserpuls giver et elektron-positronplasma med rekordtæthed. Undersøgelsen vil gøre det muligt at forstå processer, der forekommer i astrofysiske objekter, og at studere elementære partikelproduktionsprocesser.

Et velkendt faktum inden for kvantefysik er muligheden for at omdanne bestemte partikler til andre partikler. I særdeleshed, i et tilstrækkeligt stærkt elektrisk eller magnetisk felt en gammafoton kan forfalde til to partikler, en elektron og en positron. Indtil nu, denne virkning blev observeret i laboratorieforhold hovedsageligt når gammastråling blev transmitteret gennem krystaller, hvor der findes tilstrækkeligt stærke felter nær atomkerner. Forskere søger et nyt værktøj til at studere dette fænomen:lasere, der er i stand til at generere korte impulser med en effekt på mere end 10 petawatt. Dette effektniveau opnås ved ekstrem fokusering af stråling. For eksempel, forskere foreslår at bruge en laserfeltkonfiguration kaldet dipolfokusering. I dette tilfælde, fokuspunktet bestråles fra alle sider. Det er teoretisk blevet vist, at elektronpositronskred kan observeres i fokus for et sådant laseranlæg. Partikler, der er skabt ved forfald af en gammafoton, vil blive accelereret af et laserfelt og udsende gammafotoner, hvilket igen vil give anledning til nye elektroner og positroner. Som resultat, Antallet af partikler på kort tid skulle vokse enormt og give anledning til et superdenskt elektron-positronplasma.

Imidlertid, der er nogle begrænsninger på densiteten af ​​plasmaet, der kan opnås på denne måde. På et tidspunkt, laserstrålingen vil ikke kunne trænge ind i plasmaet, der er blevet for tæt, og lavinen vil aftage. Ifølge eksisterende skøn, partikelkoncentration i laserfokus vil være godt 1024 partikler pr. kubikcentimeter. Til sammenligning, omtrent den samme elektronkoncentration findes i tungmetaller, for eksempel, i platin eller guld.

I deres nye papir, et hold forfattere ledet af professor A.M. Sergeev, Akademiker ved det russiske videnskabsakademi, viste, at under visse betingelser, dette tal kan være en størrelsesorden højere.

Stor numerisk simulering af udviklingen af ​​elektronpositronskred i et tæt fokuseret laserfelt demonstrerer et fundamentalt nyt genstand for undersøgelse, kvasistationære tilstande for et tæt elektron-positronplasma. Disse stater har en meget interessant og uventet struktur. Mens laserfeltet i form af en dipolbølge har en aksial symmetri, fordelingen af ​​elektron-positronplasma som følge af udviklingen af ​​den nuværende ustabilitet degenererer i to tynde lag orienteret i en tilfældig vinkel. Lagets tykkelse og partikelkoncentration i disse lag er tilsyneladende kun begrænset af strålingsprocessens tilfældighed, hvilket fører til ekstreme plasmadensitetsværdier. Med et samlet antal partikler af størrelsesordenen 1011, densiteten overstiger værdien af ​​1026 partikler pr. kubikcentimeter, og i vores tilfælde var det kun begrænset af opløsningen af ​​numerisk simulering.