.
Os pesquisadores produziram com sucesso “bolas de fogo de plasma” de alta densidade na Terra, uma conquista inovadora que recria as condições que ocorrem naturalmente em torno de buracos negros e estrelas de nêutrons.
A descoberta marca a primeira geração bem-sucedida de plasmas relativísticos de pares elétron-pósitron sob condições controladas de laboratório, o que denota um estado da matéria que geralmente ocorre apenas no espaço profundo. O trabalho é resultado de uma colaboração internacional entre pesquisadores do Laboratório de Energética Laser da Universidade de Rochester (LLE).
A produção bem-sucedida de plasmas relativísticos de pares elétron-pósitron marca um novo marco na ciência do plasma e pode ajudar os cientistas a obter uma compreensão mais profunda de algumas das regiões mais extremas do nosso universo.
Os objetos mais densos do universo
De todas as regiões do cosmos, os buracos negros e as estrelas de nêutrons estão entre as mais densas. Ao redor desses objetos celestes ultradensos estão plasmas que consistem em elétrons e pósitrons que se movem tão rápido que se aproximam da velocidade da luz.
Embora esses plasmas relativísticos de pares elétron-pósitron sejam comuns em todo o universo, os cientistas enfrentaram dificuldades na tentativa de recriá-los em laboratório.
Agora, pesquisadores do LLE da Universidade de Rochester e seus colaboradores internacionais finalmente conseguiram realizar a tarefa em um experimento que produziu ainda mais pares de plasma do que havia sido relatado anteriormente, em até duas a três ordens de grandeza.
“A geração laboratorial de bolas de fogo de plasma compostas de matéria, antimatéria e fótons é um objetivo de pesquisa na vanguarda da ciência de alta densidade energética”, disse Charles Arrowsmith, físico da Universidade de Oxford que em breve ingressará no LLE.
Arrowsmith, autor principal de um novo estudo que detalha as descobertas da sua equipa, diz que as limitações anteriores originaram-se em grande parte de estudos teóricos que tentaram caracterizar estes plasmas únicos na ausência da sua geração bem sucedida em laboratório.
“Plasmas relativísticos de elétron-pósitron são onipresentes em ambientes astrofísicos extremos, como buracos negros e magnetosferas de estrelas de nêutrons, onde se espera que jatos alimentados por acreção e ventos de pulsar sejam enriquecidos com pares elétron-pósitron”, escrevem Arrowsmith e seus colegas em seu livro. novo estudo.
“Até agora, a nossa incapacidade experimental de produzir grandes rendimentos de pósitrons em feixes quase neutros restringiu a compreensão dos plasmas de pares elétron-pósitron a estudos numéricos e analíticos simples”, escrevem os autores do estudo.
Produzindo bolas de fogo de plasma em laboratório
O experimento inovador da equipe de Arrowsmith e Rochester ocorreu nas instalações HiRadMat no acelerador Super Proton Synchrotron (SPS) do CERN em Genebra, Suíça. Mais de 100 mil milhões de protões foram aproveitados do acelerador SPS, cada um possuindo energia cinética 440 vezes superior à sua energia de repouso.
Durante o experimento, a equipe gerou feixes de pares elétron-pósitron quase neutros que exibiram comportamentos que a equipe diz serem consistentes com aqueles associados a plasmas genuínos no espaço.
“Apresentamos os primeiros resultados experimentais que confirmam a geração de feixes de pares elétron-pósitron relativísticos, quase neutros e de alta densidade, usando o feixe de 440 GeV/c no acelerador Super Proton Synchrotron (SPS) do CERN”, escreve a equipe em seu novo estudo. .
Arrowsmith disse em um comunicado que a nova descoberta “abre uma fronteira inteiramente nova na astrofísica laboratorial”, acrescentando que as descobertas da equipe tornam possível “sondar experimentalmente a microfísica de explosões de raios gama ou jatos blazar”.
Além de produzir plasmas astrofísicos com sucesso, a equipe de pesquisa também desenvolveu novos métodos de ajuste dos pares de feixes que permitirão futuros estudos controlados das interações plasmáticas. Isso poderia permitir novos avanços significativos em comparação com estudos anteriores que se baseavam principalmente em simulações.
“Os telescópios terrestres e de satélite não conseguem observar os mais pequenos detalhes de objetos distantes e contamos com simulações numéricas”, disse Gianluca Gregori, professor de física na Universidade de Oxford e um dos coautores do novo estudo.
“Nosso trabalho de laboratório testará e validará essas previsões”, disse Gregori.
Arrowsmith e a equipe novo estudo“Realização laboratorial de feixes de plasma de pares relativísticos”, apareceu na revista Comunicações da Natureza em 12 de junho de 2024.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe seu trabalho em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
.
