Los agujeros negros y las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más densos conocidos del universo. Dentro y alrededor de estos ambientes astrofísicos extremos existen plasmas, el cuarto estado fundamental de la materia junto con los sólidos, líquidos y gases. En particular, los plasmas bajo estas condiciones extremas se conocen como plasmas de pares relativistas electrón-positrón porque consisten en una combinación de electrones y positrones, todos viajando casi a la velocidad de la luz.
Aunque estos plasmas son omnipresentes en las condiciones del espacio profundo, ha resultado difícil producirlos en un laboratorio.
Ahora, por primera vez, un equipo internacional de científicos, incluidos investigadores del Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester, ha producido experimentalmente haces de plasma relativistas de par electrón-positrón de alta densidad que tienen dos o tres órdenes. de magnitud. Más parejas de las que se habían informado anteriormente. Los resultados del equipo se reflejan en él. Comunicaciones de la naturaleza.
El avance abre la puerta a experimentos posteriores que podrían realizar descubrimientos fundamentales sobre cómo funciona el universo.
“La generación en laboratorio de ‘bolas de fuego’ de plasma compuestas de materia, antimateria y fotones está a la vanguardia de la ciencia de la alta densidad de energía”, afirma el autor principal Charles Arrowsmith, físico de la Universidad de Oxford que se une al LLE como objetivo de la investigación. ” en el otoño. “Pero la dificultad experimental de generar un número suficientemente grande de pares electrón-positrón ha limitado hasta ahora nuestra comprensión a estudios puramente teóricos”.
Los investigadores de Rochester, Dustin Frolla, director de la división de ciencia e ingeniería de plasma y láser ultrarrápido del LLE, y Daniel Haberberger, científico del LLE, colaboraron con Aerosmith y otros científicos en el Super Proton Synchron. Diseñaron un nuevo experimento utilizando la instalación HiRadMat. . Acelerador SPS) en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra, Suiza.
Este experimento produjo un rendimiento extremadamente alto de haces de pares de electrones y positrones casi neutros utilizando más de 100 mil millones de protones del acelerador SPS. Cada protón tiene una energía cinética que es 440 veces su energía en reposo. Debido a su gran velocidad, cuando un protón rompe un átomo, tiene suficiente energía para liberar sus componentes internos (quarks y gluones) que inmediatamente se recombinan para crear una lluvia que eventualmente se transforma en electrones y positrones.
En otras palabras, el rayo que produjeron en el laboratorio contenía suficientes partículas para comportarse como un verdadero astrofísico.
“Este laboratorio abre toda una nueva frontera en astrofísica, permitiendo investigar experimentalmente la microfísica de estallidos de rayos gamma o chorros de blazares”, afirma Aerosmith.
El equipo también desarrolló técnicas para modular la emisión de haces acoplados, lo que permitió realizar estudios controlados de las interacciones del plasma en pequeños análogos de sistemas astrofísicos.
“Los telescopios terrestres y satelitales no pueden ver los detalles más pequeños de estos objetos distantes y hasta ahora sólo podemos confiar en simulaciones numéricas. Nuestro trabajo de laboratorio nos permitirá probar las predicciones realizadas mediante los cálculos más sofisticados que se han obtenido. y confirmará cómo las bolas de fuego cósmicas se ven afectadas por el plasma interestelar débil”, dice el coautor Gianluca Gregory, profesor de física en la Universidad de Oxford.
Además, añade, “este logro pone de relieve la importancia del intercambio y la colaboración entre instalaciones experimentales de todo el mundo, especialmente cuando abren nuevos caminos para el acceso a sistemas cada vez más físicos”.
Además de LLE, la Universidad de Oxford y el CERN, las instituciones que colaboran en esta investigación incluyen el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC RAL), el establecimiento de armas nucleares de la Universidad de Strathclyde, Reino Unido, incluido el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. . , Instituto Max Planck de Física Nuclear, Universidad de Islandia e Instituto Superior Técnico de Portugal.
Los hallazgos del equipo se producen en medio de esfuerzos continuos para avanzar en la ciencia del plasma mediante la colisión de láseres de muy alta intensidad, una fuente de investigación que se explorará utilizando las instalaciones OPAL de NSF.
