Ogni giorno, con poco preavviso, la Terra è bombardata da particelle energetiche che inondano i suoi abitanti di un'invisibile spolverata di radiazioni, osservato solo dal rivelatore casuale, o astronomo, o fisico che debitamente annotando il loro passaggio. Queste particelle costituiscono, forse, il residuo galattico di qualche lontana supernova, o l'eco tangibile di una pulsar. Questi sono raggi cosmici.

Ma come vengono prodotte queste particelle? E dove trovano l'energia per viaggiare indisturbati da distanze immense e ostacoli interstellari?

Queste sono le domande che Frederico Fiuza si è posto negli ultimi tre anni, attraverso progetti in corso presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE).

Un fisico dello SLAC National Accelerator Laboratory in California, Fiuza e il suo team stanno conducendo approfondite indagini sulla fisica del plasma per discernere i processi fondamentali che accelerano le particelle. Le risposte potrebbero fornire una comprensione di come i raggi cosmici acquisiscono la loro energia e come meccanismi di accelerazione simili potrebbero essere sondati in laboratorio e utilizzati per applicazioni pratiche.

Mentre il "come" dell'accelerazione delle particelle rimane un mistero, il "dove" è un po' meglio compreso. "La radiazione emessa dagli elettroni ci dice che queste particelle sono accelerate da processi al plasma associati a oggetti astrofisici energetici, "dice Fiuza.

L'universo visibile è pieno di plasma, materia ionizzata che si forma quando il gas è surriscaldato, separare gli elettroni dagli ioni. Più del 99 percento dell'universo osservabile è fatto di plasmi, e la radiazione emessa da loro crea il bello, colori inquietanti che accentuano le nebulose e altre meraviglie astronomiche.

La motivazione per questi progetti è nata chiedendosi se fosse possibile riprodurre condizioni di plasma simili in laboratorio e studiare come vengono accelerate le particelle.

laser ad alta potenza, come quelli disponibili presso l'Università di Rochester's Laboratory for Laser Energetics o presso il National Ignition Facility nel Lawrence Livermore National Laboratory, può produrre potenze di picco superiori a 1, 000 trilioni di watt. A questi alti poteri, i laser possono ionizzare istantaneamente la materia e creare flussi di plasma energetici per gli studi desiderati sull'accelerazione delle particelle.

Fisica Intima

Per determinare quali processi possono essere sondati e come condurre esperimenti in modo efficiente, Il team di Fiuza ricrea le condizioni di questi plasmi azionati dal laser utilizzando simulazioni su larga scala. Computazionalmente, lui dice, diventa molto difficile risolvere contemporaneamente la grande scala dell'esperimento e la fisica su piccola scala a livello delle singole particelle, dove questi flussi producono campi che a loro volta accelerano le particelle.

Poiché la gamma di scale è così drammatica, si rivolsero al potere della petascaglia di Mira, il supercomputer Blue Gene/Q dell'ALCF, per eseguire le prime simulazioni 3D di questi scenari di laboratorio. Per guidare la simulazione, hanno usato OSIRIS, uno stato dell'arte, codice particella in cella per modellare plasmi, sviluppato dall'UCLA e dall'Instituto Superior Técnico, in Portogallo, dove Fiuza ha conseguito il dottorato di ricerca.

Parte della complessità coinvolta nella modellazione dei plasmi deriva dall'intimo accoppiamento tra particelle e radiazioni elettromagnetiche:le particelle emettono radiazioni e le radiazioni influenzano il movimento delle particelle.

Nella prima fase di questo progetto, Il team di Fiuza ha dimostrato che un'instabilità del plasma, l'instabilità di Weibel, è in grado di convertire una grande frazione dell'energia nei flussi di plasma in campi magnetici. Hanno mostrato un forte accordo in un confronto uno a uno dei dati sperimentali con i dati della simulazione 3D, che è stato pubblicato in Fisica della natura , nel 2015. Questo li ha aiutati a capire come i forti campi richiesti per l'accelerazione delle particelle possono essere generati in ambienti astrofisici.

Fiuza usa il tennis come un'analogia per spiegare il ruolo che questi campi magnetici giocano nell'accelerazione delle particelle all'interno delle onde d'urto. La rete rappresenta l'onda d'urto e le racchette dei due giocatori sono simili ai campi magnetici. Se i giocatori si muovono verso la rete mentre fanno rimbalzare la palla tra loro, la palla, o particelle, accelerare rapidamente.

"La linea di fondo è, ora capiamo come si formano i campi magnetici abbastanza forti da far rimbalzare queste particelle avanti e indietro per essere energizzate. È un processo in più fasi:devi iniziare generando campi forti—e abbiamo trovato un'instabilità che può generare campi forti dal nulla o da fluttuazioni molto piccole—e poi questi campi devono disperdere in modo efficiente le particelle, "dice Fiuza.

Riconnessione

Ma le particelle possono essere energizzate in un altro modo se il sistema fornisce i forti campi magnetici fin dall'inizio.

"In alcuni scenari, come pulsar, hai ampiezze di campo magnetico straordinarie, " nota Fiuza. "Ecco, vuoi capire come l'enorme quantità di energia immagazzinata in questi campi possa essere trasferita direttamente alle particelle. In questo caso, non tendiamo a pensare ai flussi o agli shock come il processo dominante, ma piuttosto riconnessione magnetica."

Riconnessione magnetica, un processo fondamentale nei plasmi astrofisici e di fusione, si ritiene che sia la causa dei brillamenti solari, espulsioni di massa coronale, e altri eventi cosmici volatili. Quando si uniscono campi magnetici di polarità opposta, le loro topologie sono cambiate. Le linee del campo magnetico si ridispongono in modo da convertire l'energia magnetica in energia termica ed energia cinetica, provocando una reazione esplosiva che guida l'accelerazione delle particelle. Questo è stato il fulcro del progetto più recente di Fiuza all'ALCF.

Ancora, Il team di Fiuza ha modellato la possibilità di studiare questo processo in laboratorio con plasmi guidati da laser. Per condurre 3-D, simulazioni dei primi principi (simulazioni derivate da assunzioni/predizioni teoriche fondamentali), Fiuza aveva bisogno di modellare decine di miliardi di particelle per rappresentare il sistema al plasma magnetizzato guidato dal laser. Hanno modellato il moto di ogni particella e poi hanno selezionato le mille più energetiche. Il movimento di quelle particelle è stato tracciato individualmente per determinare come sono state accelerate dal processo di riconnessione magnetica.

"Ciò che è abbastanza sorprendente di questi acceleratori cosmici è che un molto, un numero molto piccolo di particelle trasporta una grande frazione dell'energia nel sistema, diciamo il 20 per cento. Quindi hai questa enorme energia in questo sistema astrofisico, e da un processo miracoloso, va tutto a poche particelle fortunate, " dice. "Ciò significa che il movimento individuale delle particelle e la traiettoria delle particelle sono molto importanti".

I risultati della squadra, che sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica , nel 2016, mostrano che la riconnessione guidata dal laser porta a una forte accelerazione delle particelle. Quando due pennacchi di plasma in espansione interagiscono tra loro, formano un sottile foglio di corrente, o livello di riconnessione, che diventa instabile, rompendo in fogli più piccoli. Durante questo processo, il campo magnetico è annichilito e un forte campo elettrico è eccitato nella regione di riconnessione, accelerando efficientemente gli elettroni quando entrano nella regione.

Fiuza si aspetta che, come il suo progetto precedente, questi risultati della simulazione possono essere confermati sperimentalmente e aprire una finestra su questi misteriosi acceleratori cosmici.