I laser che generano plasma possono fornire informazioni su esplosioni di particelle subatomiche che si verificano nello spazio profondo, gli scienziati hanno scoperto. Tali risultati potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere i raggi cosmici, brillamenti solari ed eruzioni solari:emissioni dal sole che possono interrompere il servizio di telefonia cellulare e mettere fuori uso le reti elettriche sulla Terra.
I fisici hanno da tempo osservato che particelle come elettroni e nuclei atomici possono accelerare a velocità estremamente elevate nello spazio. I ricercatori ritengono che i processi associati al plasma, il quarto stato caldo della materia in cui gli elettroni si sono separati dai nuclei atomici, potrebbe essere responsabile. Alcuni modelli teorizzano che la riconnessione magnetica, che si verifica quando le linee del campo magnetico nel plasma si separano e si riconnettono, rilasciando grandi quantità di energia, potrebbe causare l'accelerazione.
Affrontando questo problema, un team di ricercatori guidati da Will Fox, fisico presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), recentemente utilizzato laser per creare condizioni che imitano il comportamento astrofisico. La tecnica di laboratorio consente lo studio del plasma simile allo spazio esterno in un ambiente controllato e riproducibile. "Vogliamo riprodurre in miniatura il processo per condurre questi test, " disse Volpe, autore principale della ricerca pubblicata sulla rivista Fisica dei Plasmi .
Il team ha utilizzato un programma di simulazione chiamato Plasma Simulation Code (PSC) che traccia le particelle di plasma in un ambiente virtuale, dove sono influenzati da campi magnetici ed elettrici simulati. Il codice è nato in Germania ed è stato ulteriormente sviluppato da Fox e dai colleghi dell'Università del New Hampshire prima di entrare in PPPL. I ricercatori hanno condotto le simulazioni sul supercomputer Titan presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, all'Oak Ridge National Laboratory, attraverso il programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) del DOE.
Le simulazioni si basano sulla ricerca di Fox e altri scienziati che stabiliscono che i plasmi creati dal laser possono facilitare lo studio dei processi di accelerazione. Nelle nuove simulazioni, tali plasmi gorgogliano verso l'esterno e si scontrano l'uno con l'altro, innescando la riconnessione magnetica. Queste simulazioni suggeriscono anche due tipi di processi che trasferiscono energia dall'evento di riconnessione alle particelle.
Durante un processo, nota come accelerazione di Fermi, le particelle guadagnano energia mentre rimbalzano avanti e indietro tra i bordi esterni di due bolle di plasma convergenti. In un altro processo chiamato accelerazione della linea X, l'energia si trasferisce alle particelle mentre interagiscono con i campi elettrici che sorgono durante la riconnessione.
Fox e il team hanno ora in programma di condurre esperimenti fisici che replicano le condizioni nelle simulazioni utilizzando sia la struttura laser OMEGA presso il Laboratory for Laser Energetics dell'Università di Rochester che la National Ignition Facility presso il Lawrence Livermore National Laboratory del DOE. "Stiamo cercando di vedere se possiamo ottenere l'accelerazione delle particelle e osservare sperimentalmente le particelle energizzate, " ha detto Volpe.
