Il fisico Kenan Qu con le immagini della radio veloce scoppiata in due galassie. Le foto in alto e in basso a sinistra mostrano le galassie, con foto migliorate digitalmente mostrate a destra. Linee ovali tratteggiate segnano le posizioni di scoppio nelle galassie. Credito:Qu foto di Elle Starkman; foto della galassia:NASA; collage di Kiran Sudarsanan.
Misteriose esplosioni radio veloci rilasciano in un secondo tanta energia quanta il Sole emette in un anno e sono tra i fenomeni più sconcertanti dell'universo. Ora i ricercatori dell'Università di Princeton, il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e lo SLAC National Accelerator Laboratory hanno simulato e proposto un esperimento conveniente per produrre e osservare le prime fasi di questo processo in un modo una volta ritenuto impossibile con la tecnologia esistente.
A produrre le straordinarie esplosioni nello spazio sono corpi celesti come stelle di neutroni, o collassate, chiamate magnetar (magnete + stella) racchiuse in campi magnetici estremi. Questi campi sono così forti che trasformano il vuoto nello spazio in un plasma esotico composto da materia e antimateria sotto forma di coppie di elettroni caricati negativamente e positroni caricati positivamente, secondo la teoria dell'elettrodinamica quantistica (QED). Si ritiene che le emissioni di queste coppie siano responsabili delle potenti esplosioni radio veloci.
Accoppia plasma
Il plasma materia-antimateria, chiamato "plasma di coppia", è in contrasto con il solito plasma che alimenta le reazioni di fusione e costituisce il 99% dell'universo visibile. Questo plasma è costituito da materia solo sotto forma di elettroni e nuclei atomici di massa enormemente superiore, o ioni. I plasmi elettrone-positrone sono costituiti da particelle di massa uguale ma con carica opposta che sono soggette ad annichilazione e creazione. Tali plasmi possono mostrare un comportamento collettivo abbastanza diverso.
"La nostra simulazione di laboratorio è un analogo su piccola scala di un ambiente magnetar", ha affermato il fisico Kenan Qu del Dipartimento di scienze astrofisiche di Princeton. "Questo ci consente di analizzare i plasmi di coppia QED", ha affermato Qu, primo autore di uno studio presentato in Fisica dei plasmi come Scilight, o punto culminante della scienza, e anche primo autore di un articolo in Physical Review Letters su cui il presente articolo si espande.
"Invece di simulare un forte campo magnetico, utilizziamo un potente laser", ha detto Qu. "Converte l'energia in plasma di coppia attraverso quelle che vengono chiamate cascate QED. Il plasma di coppia sposta quindi l'impulso laser a una frequenza più alta", ha affermato. "L'entusiasmante risultato dimostra le prospettive per la creazione e l'osservazione di coppie di plasma QED nei laboratori e la possibilità di esperimenti per verificare le teorie sui lampi radio veloci".
I plasmi di coppia prodotti in laboratorio sono stati precedentemente creati, ha osservato il fisico Nat Fisch, professore di scienze astrofisiche all'Università di Princeton e direttore associato per gli affari accademici al PPPL che funge da investigatore principale per questa ricerca. "E pensiamo di sapere quali leggi regolano il loro comportamento collettivo", ha detto Fisch. "Ma finché non produciamo effettivamente una coppia di plasma in laboratorio che mostri fenomeni collettivi che possiamo sondare, non possiamo esserne assolutamente sicuri.
Comportamento collettivo
"Il problema è che il comportamento collettivo nei plasmi di coppia è notoriamente difficile da osservare", ha aggiunto. "Quindi, un passo importante per noi è stato pensare a questo come a un problema congiunto produzione-osservazione, riconoscendo che un ottimo metodo di osservazione rilassa le condizioni su ciò che deve essere prodotto e, a sua volta, ci porta a una struttura utente più praticabile."
La simulazione unica proposta dall'articolo crea una coppia di plasma QED ad alta densità facendo scontrare il laser con un denso raggio di elettroni che viaggia vicino alla velocità della luce. Questo approccio è conveniente se confrontato con il metodo comunemente proposto di far collidere laser ultra potenti per produrre le cascate QED. L'approccio rallenta anche il movimento delle particelle di plasma, consentendo così effetti collettivi più forti.
"Nessun laser è abbastanza potente per raggiungere questo obiettivo oggi e costruirli potrebbe costare miliardi di dollari", ha affermato Qu. "Il nostro approccio supporta fortemente l'utilizzo di un acceleratore di fasci di elettroni e di un laser moderatamente potente per ottenere una coppia di plasma QED. L'implicazione del nostro studio è che supportare questo approccio potrebbe far risparmiare un sacco di soldi".
Attualmente sono in corso i preparativi per testare la simulazione con un nuovo ciclo di esperimenti su laser ed elettroni presso lo SLAC. "In un certo senso quello che stiamo facendo qui è il punto di partenza della cascata che produce esplosioni radiofoniche", ha affermato Sebastian Meuren, ricercatore SLAC ed ex borsista post-dottorato presso l'Università di Princeton, coautore dei due articoli con Qu e Fisch.
Esperimento in evoluzione
"Se potessimo osservare qualcosa come un'esplosione radiofonica in laboratorio, sarebbe estremamente eccitante", ha detto Meuren. "Ma la prima parte è solo osservare la dispersione dei fasci di elettroni e una volta fatto ciò miglioreremo l'intensità del laser per arrivare a densità più elevate per vedere effettivamente le coppie elettrone-positrone. L'idea è che il nostro esperimento si evolverà i prossimi due anni circa."
L'obiettivo generale di questa ricerca è capire come corpi come le magnetar creano coppie di plasma e quale nuova fisica associata ai lampi radio veloci viene prodotta, ha detto Qu. "Queste sono le domande centrali che ci interessano". + Esplora ulteriormente
