Supercomputere hjælper med nye simuleringer af forskning i gammastrålegenerering

Mens intense magnetiske felter naturligt genereres af neutronstjerner, forskere har stræbt efter at opnå lignende resultater i mange år. UC San Diego mekanik- og rumfartsingeniørstuderende Tao Wang demonstrerede for nylig, hvordan et ekstremt stærkt magnetfelt, ligner den på overfladen af ​​en neutronstjerne, kan ikke kun genereres, men også detekteres ved hjælp af en røntgenlaser inde i et fast materiale.

Wang udførte sin forskning ved hjælp af simuleringer udført på Comet-supercomputeren ved San Diego Supercomputer Center (SDSC) samt Stampede og Stampede2 ved Texas Advanced Computing Center (TACC). Alle ressourcer er en del af et National Science Foundation-program kaldet Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).

"Wangs resultater var afgørende for vores nyligt offentliggjorte undersøgelses overordnede mål om at udvikle en grundlæggende forståelse af, hvordan flere laserstråler af ekstrem intensitet interagerer med stof, sagde Alex Arefiev, en professor i mekanisk og rumfartsteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Wang, Arefiev, og deres kolleger brugte flere store tredimensionelle simuleringer, fjernvisualisering, og dataefterbehandling for at fuldføre deres undersøgelse, som viste, hvordan en intens laserpuls er i stand til at forplante sig ind i det tætte materiale på grund af dens relativistiske intensitet.

Med andre ord, når elektronernes hastighed nærmer sig lysets hastighed, deres masse bliver så tung, at målet bliver gennemsigtigt. På grund af gennemsigtigheden, laserimpulsen skubber elektronerne til at danne et stærkt magnetfelt. Denne styrke er sammenlignelig med den på en neutronstjernes overflade, som er mindst 100 millioner gange stærkere end Jordens magnetfelt, og omkring tusind gange stærkere end feltet af superledende magneter.

Resultaterne blev offentliggjort i en Plasmas fysik tidsskriftsartikel med titlen "Structured Targets for Detection of Megatesla-level Magnetic Fields Through Faraday Rotation of XFEL Beams."

"Nu hvor vi har afsluttet denne undersøgelse, vi arbejder på måder at detektere denne type magnetfelt på et enestående anlæg kaldet European X-Ray Free Electron Laser (XFEL), som omfatter en 3,4 kilometer lang accelerator, der genererer ekstremt intense røntgenglimt til brug af forskere som vores team, " forklarede Arefiev.

Beliggende i Schenefeld, Tyskland, den europæiske XFEL er arbejdsstedet for Toma Toncian, hvor han leder projektgruppens konstruktion og idriftsættelse af Helmholtz International Beamline for Extreme Fields ved High Energy Density-instrumentet. Han er også medforfatter på den nyligt offentliggjorte undersøgelse.

"Det meget frugtbare samarbejde mellem UC San Diego og Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf baner vejen for fremtidige højeffekteksperimenter, " sagde Toncian. "Når vi nu om dage går fra konstruktion til idriftsættelse og første eksperimenter, de teoretiske forudsigelser fra Tao Wang er aktuelle og viser os, hvordan vi kan videreudvikle og fuldt ud udnytte vores instruments muligheder."

Ifølge Mingsheng Wei, en senior videnskabsmand ved University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics og medforfatter på papiret, "det innovative mikrokanal-måldesign, der blev udforsket i simuleringsarbejdet, kunne demonstreres ved hjælp af det nye lavdensitets polymerskummateriale, der kun er et par gange tungere end den tørre luft indeholdt i mikrostrukturerede rør."

"Fordi de resulterende datasæt af vores eksperimenter med XFEL er meget store, vores forskning ville ikke have været mulig på et almindeligt skrivebord – vi kunne ikke have fuldført denne undersøgelse uden brugen af ​​XSEDE supercomputere, " sagde Arefiev. "Vi er også meget taknemmelige over for Air Force Office of Scientific Research for at gøre dette projekt muligt."

Arefiev sagde, at deres gruppes indsats for brug af supercomputere var afhængig af Amit Chourasias vejledning, SDSCs senior visualiseringsforsker, som var med til at opsætte eksterne parallelle visualiseringsværktøjer til forskerne.

"Det er fantastisk at arbejde sammen med forskningsgrupper og udstyre dem med kraftfulde metoder, værktøjer, og en udførelsesplan, der igen driver deres forskning frem i et accelereret tempo ved hjælp af HPC og visualisering, det er vi taknemmelige for at spille en rolle i at muliggøre nye opdagelser, " sagde Chourasia.