Лазерни оръдия и 100 милиарда протона: учените създадоха „мини черна дупка“

Експеримент в ЦЕРН откри нови хоризонти за научни изследвания.

Учени успяха да създадат на Земята „плазмени огнени кълба“ с висока плътност, които възпроизвеждат условията, естествено срещащи се при черните дупки и неутронните звезди. Този пробив бележи първото успешно създаване на релативистична плазма от двойки електрон-позитрон в контролирани лабораторни условия – състояние на материята, което обикновено се среща само в космоса. Работата е извършена в рамките на международното сътрудничество между учени от Лабораторията за лазерна енергетика (LLE) към Университета в Рочестър.

Създаването на релативистична плазма от двойки електрон-позитрон е важна стъпка в науката за плазмата и може да помогне за задълбочаване на разбирането за най-екстремните области на нашата Вселена.

Най-плътните обекти във Вселената

Черните дупки и неутронните звезди са сред най-плътните обекти в Космоса. Около тези свръхплътни небесни тела има плазма, съставена от електрони и позитрони, които се движат със скорост, близка до тази на светлината. Въпреки че подобна релативистична плазма е често срещана във Вселената, учените отдавна изпитват затруднения да я пресъздадат в лабораториите.

Сега изследователи от Университета в Рочестър и техни колеги от чужбина успяха да проведат експеримент, при който се получиха два до три пъти повече плазмени двойки, отколкото се съобщаваше по-рано.

„Лабораторното създаване на плазмени огнени кълба, съставени от материя, антиматерия и фотони, е основната цел на изследванията на високоенергийната плътност“,

казва Чарлз Арроусмит, физик от Оксфордския университет, който скоро ще се присъедини към ЛЛЕ. Арроусмит.

Той е водещият автор на новото изследване и казва, че предишните ограничения се дължат главно на теоретичните изследвания, които се опитват да характеризират тези уникални плазми, без да успеят да ги създадат в лаборатория.

„Релативистките плазми от електронно-позитронни двойки са често срещани в екстремните астрофизични среди, като например магнитосферите на черните дупки и неутронните звезди, където акреционните струи и ветровете на пулсарите са обогатени с електронно-позитронни двойки“,

пишат Arrowsmith и колегите му в своето изследване.

Създаване на плазмени огнени кълба в лабораториите

Пробивният експеримент на Арроусмит и екипа от Рочестър е проведен в съоръжението HiRadMat на ускорителя Super Proton Synchrotron (SPS) в ЦЕРН в Женева, Швейцария. Използвани са над 100 милиарда протона от ускорителя SPS, всеки от които с 440 пъти по-висока кинетична енергия.

По време на експеримента екипът създава квазинеутрални двойки електрон-позитрон, които показват поведение, типично за реалната плазма в космоса.

„Представяме първите експериментални резултати, които потвърждават създаването на релативистични електрон-позитронни двойки с висока плътност, квазинеутрални, с помощта на сноп от 440 GeV/s в ускорителя SPS на ЦЕРН“,

пишат учените в своето изследване.

Арроусмит заяви, че новото постижение „открива изцяло нова граница в лабораторната астрофизика„, като добави, че резултатите на екипа позволяват „експериментално да се изследва микрофизиката на гама-изригванията и струите на блазарите„.

В допълнение към успешното създаване на астрофизична плазма изследователският екип е разработил и нови методи за настройване на сдвоени лъчи, които ще позволят контролирани изследвания на плазмените взаимодействия в бъдеще. Това може да доведе до значителен нов напредък в сравнение с предишните изследвания, базирани предимно на симулации.

„Сателитните и наземните телескопи не могат да наблюдават фините детайли на отдалечените обекти и ние разчитахме на числени симулации“, казва Джанлука Грегори, професор по физика в Оксфордския университет и съавтор на новото изследване. „Лабораторната ни работа ще провери и потвърди тези прогнози“,

добавя той.