Che si studi il nucleo del nostro sole o l'interno di un reattore a fusione, gli scienziati devono determinare come l'energia scorre nel plasma. Gli scienziati utilizzano simulazioni per calcolare il flusso. Le simulazioni si basano sul classico modello di trasporto termico. Nonostante oltre 50 anni di ricerca, spesso è richiesto un moltiplicatore ad hoc. Senza esso, la simulazione non corrisponde alle osservazioni del mondo reale. Ora, un team ha ideato un modo per misurare il flusso di energia e ha determinato il motivo per cui i modelli necessitano del moltiplicatore. Ulteriore, il nuovo approccio del team consente loro di testare quantitativamente le simulazioni.

Le misurazioni del team mostrano che i modelli più sofisticati prevedono un'eccessiva previsione del flusso di calore per tutte le condizioni testate. Ora, i ricercatori possono sviluppare ulteriormente modelli di trasporto termico. Anche, possono studiare e testare più facilmente i modelli.

In diversi campi della fisica del plasma, inclusa l'astrofisica, fusione a confinamento inerziale, e magnetoidrodinamica, trasporto termico classico (ad esempio, Spitzer-Harm e Brajinskii) fornisce le basi per il calcolo del flusso di calore (flusso di energia). Nonostante oltre 50 anni di ricerca, spesso è richiesto un moltiplicatore ad hoc per tenere conto di fisica anomala (ad esempio, effetti non locali, turbolenza, o instabilità) e per abbinare osservabili sperimentali globali. Motivato dalla necessità di affrontare quantitativamente questo argomento, questa ricerca ha sviluppato una nuova tecnica collettiva di diffusione Thomson che sonda direttamente le modifiche alla funzione di distribuzione degli elettroni risultanti dal flusso di calore [R.J. Henchen et al., Lettere di revisione fisica (2018)]. Utilizzando questa tecnica, è stata dimostrata per la prima volta la validità della teoria classica del trasporto quando il cammino libero medio elettrone-ione è sufficientemente più breve della lunghezza della scala di temperatura dell'elettrone e la sua rottura nel regime di trasporto non locale. Nei regimi in cui la teoria classica crolla, le funzioni di distribuzione degli elettroni coerenti con il trasporto termico non locale sono state determinate utilizzando lo spettro di diffusione Thomson collettivo misurato e ora forniscono un set di dati sperimentali quantitativi per il confronto diretto con modelli non locali [R.J. Henchen et al., Fisica dei Plasmi (2019)].

Non solo questa ricerca viene utilizzata per testare la modellazione del trasporto termico, ma anche il nuovo concetto ha aperto una strada potente per misurare le funzioni di distribuzione degli elettroni. Il riconoscimento che lo spettro di diffusione Thomson collettivo completo può essere utilizzato per misurare le funzioni di distribuzione degli elettroni arbitrarie ha consentito misurazioni recenti che hanno isolato l'interazione tra le interazioni laser-plasma e l'idrodinamica. Recenti misurazioni hanno ora dimostrato che i laser negli esperimenti di fusione a confinamento inerziale guidano abitualmente funzioni di distribuzione degli elettroni non Maxwelliane e che queste funzioni di distribuzione influenzano direttamente le instabilità laser-plasma. L'inclusione di queste funzioni di distribuzione degli elettroni non Maxwellian misurate è necessaria nei modelli di instabilità laser-plasma per abbinare il trasferimento di energia del raggio incrociato misurato. Ciò potrebbe avere conseguenze significative per gli attuali esperimenti di fusione a trasmissione indiretta, dove sono attualmente richiesti moltiplicatori ad hoc nella modellazione del trasferimento di energia a traverso che è costruita attorno alle funzioni di distribuzione Maxwelliane. L'inclusione di funzioni di distribuzione degli elettroni non Maxwelliane sembra eliminare la necessità di questi moltiplicatori. Gli scienziati si aspettano che l'inclusione dei risultati di questa ricerca nella modellazione porterà a simulazioni più predittive di esperimenti di fusione a trasmissione indiretta presso il National Ignition Facility.