Proces, der fører til supernovaeksplosioner og kosmiske radioudbrud, der blev opdaget ved PPPL

En lovende metode til at producere og observere på Jorden en proces, der er vigtig for sorte huller, supernovaeksplosioner og andre ekstreme kosmiske begivenheder er blevet foreslået af forskere ved Princeton University's Department of Astrophysical Sciences, SLAC National Acceleraor Laboratory, og US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Processen, kaldet kvanteelektrodynamiske (QED) kaskader, kan føre til supernovaer - eksploderende stjerner - og hurtige radioudbrud, der svarer til i millisekunder den energi, solen udsender på tre dage.

Første demonstration

Forskerne fremlagde den første teoretiske demonstration af, at kollision af en laboratorielaser med en tæt elektronstråle kan producere QED-kaskader med høj densitet. "Vi viser, at det, man troede var umuligt, faktisk er muligt, " sagde Kenan Qu, hovedforfatter til et papir i Physical Review Letters (PRL), der beskriver gennembrudsdemonstrationen. "Det antyder igen, hvordan tidligere uobserverede kollektive effekter kan undersøges med eksisterende state-of-the-art laser- og elektronstråleteknologier."

Processen udfolder sig på en ligetil måde. Kollidering af en stærk laserimpuls med en højenergi-elektronstråle opdeler et vakuum i højdensitet elektron-positron-par, der begynder at interagere med hinanden. Denne interaktion skaber det, der kaldes kollektive plasmaeffekter, der påvirker, hvordan parrene reagerer kollektivt på elektriske eller magnetiske felter.

Plasma, det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, udgør 99 procent af det synlige univers. Plasma giver næring til fusionsreaktioner, der driver solen og stjernerne, en proces, som PPPL og videnskabsmænd over hele verden søger at udvikle på Jorden. Plasmaprocesser i hele universet er stærkt påvirket af elektromagnetiske felter.

PRL -papiret fokuserer på laserens elektromagnetiske styrke og energien i elektronstrålen, som teorien samler for at skabe QED -kaskader. "Vi søger at simulere de forhold, der skaber elektron-positron-par med tilstrækkelig tæthed til, at de producerer målbare kollektive effekter og se, hvordan man utvetydigt verificerer disse effekter, " sagde Qu.

Opgaverne krævede at afdække signaturen for vellykket plasmaoprettelse gennem en QED -proces. Forskere fandt signaturen i skiftet af en moderat intens laser til en højere frekvens forårsaget af forslaget om at sende laseren mod en elektronstråle. "Det fund løser det fælles problem med at producere QED -plasmastyret nemmest og observere det lettest, " sagde Qu. "Størrelsen af ​​skiftet varierer afhængigt af tætheden af ​​plasmaet og energien af ​​parrene."

Ud over de nuværende muligheder

Teori har tidligere vist, at tilstrækkeligt stærke lasere eller elektriske eller magnetiske felter kunne skabe QED-par. Men de nødvendige størrelser er så høje, at de er ud over de nuværende laboratoriekapaciteter.

Imidlertid, "Det viser sig, at den nuværende teknologi i lasere og relativistiske stråler [der bevæger sig nær lysets hastighed], hvis samlokaliseret, er tilstrækkelig til at få adgang til og overholde denne ordning, "sagde fysiker Nat Fisch, professor i astrofysiske videnskaber og assisterende direktør for akademiske anliggender ved PPPL, og en medforfatter af PRL-papiret og hovedforsker af projektet. "Et vigtigt punkt er at bruge laseren til at bremse parrene, så deres masse falder, derved øge deres bidrag til plasmafrekvensen og gøre de kollektive plasmaeffekter større, Fisch sagde. "At samlokalisere nuværende teknologier er langt billigere end at bygge superintense lasere, " han sagde.

Dette arbejde blev finansieret af tilskud fra National Nuclear Security Administration og Air Force Office of Scientific Research. Forskere gør nu klar til at teste de teoretiske fund ved SLAC ved Stanford University, hvor en moderat stærk laser er ved at blive udviklet og kilden til elektronstråler allerede er der. Fysiker Sebastian Meuren, en medforfatter af papiret og en tidligere postdoktorbesøgende hos PPPL, der nu er på SLAC, er centralt involveret i denne indsats.

"Som den fleste grundlæggende fysik er denne forskning for at tilfredsstille vores nysgerrighed om universet, " sagde Qu. "For det generelle samfund, en stor effekt er, at vi kan spare milliarder af dollars i skatteindtægter, hvis teorien kan valideres."