Fältstruktur i en dipolvåg. Kredit:E. Efimenko
Fysiker från Institutet för tillämpad fysik vid den ryska vetenskapsakademin, forskare från Chalmers tekniska högskola och datavetare från Lobachevsky University har utvecklat ett nytt mjukvaruverktyg kallat PICADOR för numerisk modellering av laserplasma på moderna superdatorer.
Arbetet med mjukvarusystemet PICADOR startade 2010. PICADOR är en parallell implementering av partikel-i-cell-metoden som har optimerats för moderna heterogena klustersystem. Projektet kombinerade kompetens och insatser från experter från många områden, blir därmed grunden för den genomtänkta optimeringen och utvecklingen av nya beräkningsmetoder som tar hänsyn till olika fysiska processer. Så småningom, detta öppnade vägen för ett genombrott i modelleringsförmåga i ett antal forskningsprojekt. Systemets funktionella kapacitet och prestanda gör det möjligt att utföra numeriska simuleringar i en rad problem i framkanten av modern laserplasmafysik.
I deras artikel publicerad i Vetenskapliga rapporter , Forskare från Nizhny Novgorod formulerade villkoren under vilka den lavinliknande genereringen av elektroner och positroner i fokus för en laserpuls med hög effekt ger ett elektron-positronplasma med rekorddensitet. Studien kommer att göra det möjligt att förstå processer som sker i astrofysiska objekt och att studera elementarpartikelproduktionsprocesser.
Vänster bild -- täthetsfördelning i början av interaktionen, central bild -- flera tunna ark bildas, höger bild -- evolutionens slutskede, två ark bildas Kredit:E. Efimenko
Ett välkänt faktum inom kvantfysiken är möjligheten att omvandla vissa partiklar till andra partiklar. Särskilt, i ett tillräckligt starkt elektriskt eller magnetiskt fält, en gammafoton kan sönderfalla till två partiklar, en elektron och en positron. Tills nu, denna effekt observerades i laboratorieförhållanden främst när gammastrålning överfördes genom kristaller i vilka tillräckligt starka fält finns nära atomkärnor. Forskare söker ett nytt verktyg för att studera detta fenomen:lasrar som kan generera korta pulser med en effekt på mer än 10 petawatt. Denna effektnivå uppnås genom extrem fokusering av strålning. Till exempel, forskare föreslår att man använder en laserfältskonfiguration som kallas dipolfokusering. I detta fall, fokuspunkten bestrålas från alla sidor. Det har visats teoretiskt att elektron-positron-laviner kan observeras i fokus för en sådan laseranläggning. Partiklar skapade av sönderfallet av en gammafoton kommer att accelereras av ett laserfält och kommer att emittera gammafotoner, vilket i sin tur kommer att ge upphov till nya elektroner och positroner. Som ett resultat, antalet partiklar på kort tid bör växa enormt och ge upphov till en supertät elektron-positronplasma.
Dock, det finns vissa begränsningar för plasmadensiteten som kan erhållas på detta sätt. Vid något tillfälle, laserstrålningen kommer inte att kunna penetrera plasman som har blivit för tät, och lavinen kommer att avta. Enligt befintliga uppskattningar, partikelkoncentrationen i laserfokus blir drygt 1024 partiklar per kubikcentimeter. För jämförelse, ungefär samma elektronkoncentration finns i tungmetaller, till exempel, i platina eller guld.
Elektron- och positronstrålar samt gammafotoner emitteras från fokus längs symmetriaxeln. Kredit:E. Efimenko
I deras nya tidning, ett team av författare under ledning av professor A.M. Sergeev, Akademiker vid Ryska vetenskapsakademin, visade att under vissa förhållanden, detta nummer kan vara en storleksordning högre.
Storskalig numerisk simulering av elektron-positron lavinutvecklingen i ett hårt fokuserat laserfält visar ett fundamentalt nytt undersökningsobjekt, de kvasistationära tillstånden för en tät elektron-positronplasma. Dessa stater har en mycket intressant och oväntad struktur. Medan laserfältet i form av en dipolvåg har en axiell symmetri, fördelningen av elektron-positronplasma som är ett resultat av utvecklingen av ströminstabiliteten degenererar till två tunna lager orienterade i en slumpmässig vinkel. Tjockleken på skikten och partikelkoncentrationen i dessa skikt begränsas tydligen endast av slumpmässigheten i strålningsprocessen, vilket leder till extrema plasmadensitetsvärden. Med ett totalt antal partiklar i storleksordningen 1011, densiteten överstiger värdet av 1026 partiklar per kubikcentimeter, och i vårt fall var det bara begränsat av upplösningen av numerisk simulering.