Fisici dell'Istituto di fisica applicata dell'Accademia delle scienze russa, i ricercatori della Chalmers University of Technology e gli informatici della Lobachevsky University hanno sviluppato un nuovo strumento software chiamato PICADOR per la modellazione numerica dei plasmi laser sui moderni supercomputer.

Il lavoro sul sistema software PICADOR è iniziato nel 2010. PICADOR è un'implementazione parallela del metodo particella in cellula che è stato ottimizzato per i moderni sistemi di cluster eterogenei. Il progetto ha unito le competenze e gli sforzi di esperti di molti campi, diventando così la base per l'ottimizzazione ben ponderata e lo sviluppo di nuovi approcci informatici che tengano conto di vari processi fisici. Infine, questo ha aperto la strada a una svolta nelle capacità di modellazione in una serie di progetti di ricerca. Le capacità funzionali e le prestazioni del sistema consentono di eseguire simulazioni numeriche in una serie di problemi all'avanguardia della moderna fisica del plasma laser.

Nel loro articolo pubblicato su Rapporti scientifici , Gli scienziati di Nizhny Novgorod hanno formulato le condizioni in cui la generazione simile a una valanga di elettroni e positroni nel fuoco di un impulso laser ad alta potenza produce un plasma di elettroni-positroni di densità record. Lo studio consentirà di comprendere i processi che si verificano negli oggetti astrofisici e di studiare i processi di produzione di particelle elementari.

Un fatto ben noto nella fisica quantistica è la possibilità di trasformare determinate particelle in altre particelle. In particolare, in un campo elettrico o magnetico sufficientemente forte, un fotone gamma può decadere in due particelle, un elettrone e un positrone. Fino ad ora, questo effetto è stato osservato in condizioni di laboratorio principalmente quando la radiazione gamma è stata trasmessa attraverso cristalli in cui esistono campi sufficientemente forti vicino ai nuclei atomici. Gli scienziati cercano un nuovo strumento per studiare questo fenomeno:laser in grado di generare brevi impulsi con una potenza di oltre 10 petawatt. Questo livello di potenza è raggiunto da un'estrema focalizzazione delle radiazioni. Per esempio, gli scienziati suggeriscono di utilizzare una configurazione del campo laser denominata messa a fuoco dipolo. In questo caso, il punto AF viene irradiato da tutti i lati. È stato dimostrato teoricamente che le valanghe di elettroni-positroni possono essere osservate al centro di un tale impianto laser. Le particelle create dal decadimento di un fotone gamma saranno accelerate da un campo laser ed emetteranno fotoni gamma, che a sua volta darà origine a nuovi elettroni e positroni. Di conseguenza, il numero di particelle in breve tempo dovrebbe crescere immensamente dando luogo ad un plasma elettrone-positrone superdenso.

Però, ci sono alcune limitazioni sulla densità del plasma che può essere ottenuta in questo modo. Ad un certo punto, la radiazione laser non riuscirà a penetrare nel plasma divenuto troppo denso, e la valanga si placherà. Secondo le stime esistenti, la concentrazione di particelle nel fuoco del laser sarà di poco superiore a 1024 particelle per centimetro cubo. Per confronto, approssimativamente la stessa concentrazione di elettroni si trova nei metalli pesanti, Per esempio, in platino o oro.

Nel loro nuovo documento, un team di autori guidato dal Professor A.M. Sergeev, Accademico dell'Accademia Russa delle Scienze, dimostrato che in determinate condizioni, questo numero può essere un ordine di grandezza più alto.

La simulazione numerica su larga scala dello sviluppo di valanghe di elettroni-positroni in un campo laser strettamente focalizzato dimostra un oggetto di indagine fondamentalmente nuovo, gli stati quasi stazionari di un plasma denso di elettroni-positroni. Questi stati hanno una struttura molto interessante e inaspettata. Mentre il campo laser sotto forma di onda dipolo ha una simmetria assiale, la distribuzione del plasma elettrone-positrone risultante dallo sviluppo dell'instabilità della corrente degenera in due strati sottili orientati secondo un angolo casuale. Lo spessore degli strati e la concentrazione delle particelle in questi strati è apparentemente limitato solo dalla casualità del processo di radiazione, che porta a valori di densità del plasma estremi. Con un numero totale di particelle dell'ordine di 1011, la densità supera il valore di 1026 particelle per centimetro cubo, e nel nostro caso era limitato solo dalla risoluzione della simulazione numerica.