Lasrar som genererar plasma kan ge insikt i skurar av subatomära partiklar som uppstår i rymden, forskare har funnit. Sådana fynd kan hjälpa forskare att förstå kosmiska strålar, solflammor och solutbrott – utsläpp från solen som kan störa mobiltjänsten och slå ut elnäten på jorden.
Fysiker har länge observerat att partiklar som elektroner och atomkärnor kan accelerera till extremt höga hastigheter i rymden. Forskare tror att processer förknippade med plasma, det varma fjärde tillståndet av materia där elektroner har separerats från atomkärnor, kan vara ansvarig. Vissa modeller teoretiserar att magnetisk återkoppling, som äger rum när magnetfältslinjerna i plasma bryts isär och återansluts, frigör stora mängder energi, kan orsaka accelerationen.
För att ta itu med denna fråga, ett team av forskare ledda av Will Fox, fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), nyligen använt lasrar för att skapa förhållanden som efterliknar astrofysiskt beteende. Laboratorietekniken möjliggör studier av yttre rymdliknande plasma i en kontrollerad och reproducerbar miljö. "Vi vill reproducera processen i miniatyr för att utföra dessa tester, sa Fox, huvudförfattare till forskningen publicerad i tidskriften Plasmas fysik .
Teamet använde ett simuleringsprogram som heter Plasma Simulation Code (PSC) som spårar plasmapartiklar i en virtuell miljö, där de påverkas av simulerade magnetiska och elektriska fält. Koden har sitt ursprung i Tyskland och vidareutvecklades av Fox och kollegor vid University of New Hampshire innan han gick med i PPPL. Forskare genomförde simuleringarna på Titan superdator vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en användaranläggning för DOE Office of Science, vid Oak Ridge National Laboratory, genom DOE:s Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE)-program.
Simuleringarna bygger på forskning från Fox och andra forskare som fastställer att laserskapade plasma kan underlätta studiet av accelerationsprocesser. I de nya simuleringarna, sådana plasma bubblar utåt och kraschar in i varandra, utlöser magnetisk återkoppling. Dessa simuleringar föreslår också två typer av processer som överför energi från återkopplingshändelsen till partiklar.
Under en process, känd som Fermi acceleration, partiklar får energi när de studsar fram och tillbaka mellan de yttre kanterna på två konvergerande plasmabubblor. I en annan process som kallas X-line acceleration, energin överförs till partiklar när de interagerar med de elektriska fälten som uppstår vid återkoppling.
Fox och teamet planerar nu att genomföra fysiska experiment som replikerar förhållanden i simuleringarna med både OMEGA-laseranläggningen vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics och National Ignition Facility vid DOE:s Lawrence Livermore National Laboratory. "Vi försöker se om vi kan få partikelacceleration och observera de energisatta partiklarna experimentellt, " sa Fox.
