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Buracos negros e estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais densos conhecidos no universo. Dentro e ao redor desses ambientes astrofísicos extremos existem plasmas, o quarto estado fundamental da matéria ao lado dos sólidos, líquidos e gases. Especificamente, os plasmas nestas condições extremas são conhecidos como plasmas relativísticos de pares electrão-pósitron porque compreendem uma colecção de electrões e pósitrons – todos voando quase à velocidade da luz.
Embora esses plasmas sejam onipresentes nas condições do espaço profundo, produzi-los em laboratório tem se mostrado um desafio.
Agora, pela primeira vez, uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores do Laboratório de Energética Laser (LLE) da Universidade de Rochester, gerou experimentalmente feixes de pares de plasma relativísticos de elétron-pósitron de alta densidade, produzindo duas a três ordens de magnitude. mais pares do que relatado anteriormente. As descobertas da equipe aparecem em Comunicações da Natureza.
A descoberta abre as portas para experiências de acompanhamento que poderão produzir descobertas fundamentais sobre como o universo funciona.
“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”, diz o autor principal Charles Arrowsmith, físico da Universidade de Oxford que está ingressando na LLE. no outono. “Mas a dificuldade experimental de produzir pares electrão-pósitron em números suficientemente elevados limitou, até este ponto, a nossa compreensão a estudos puramente teóricos.”
Os pesquisadores de Rochester Dustin Froula, diretor da divisão de ciência e engenharia de plasma e laser ultrarrápido da LLE, e Daniel Haberberger, cientista da equipe da LLE, colaboraram com Arrowsmith e outros cientistas para projetar um novo experimento aproveitando a instalação HiRadMat no Super Proton Synchrotron ( Acelerador SPS) da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, Suíça.
Esse experimento gerou rendimentos extremamente altos de feixes de pares elétron-pósitron quase neutros usando mais de 100 bilhões de prótons do acelerador SPS. Cada próton carrega uma energia cinética 440 vezes maior que sua energia de repouso. Devido a este grande momento, quando o protão esmaga um átomo, tem energia suficiente para libertar os seus constituintes internos – quarks e gluões – que depois se recombinam imediatamente para produzir uma chuva que, em última análise, decai em electrões e pósitrons.
Em outras palavras, o feixe gerado em laboratório tinha partículas suficientes para começar a se comportar como um verdadeiro plasma astrofísico.
“Isto abre uma fronteira inteiramente nova na astrofísica laboratorial, tornando possível sondar experimentalmente a microfísica de explosões de raios gama ou jatos blazar”, diz Arrowsmith.
A equipe também desenvolveu técnicas para modificar a emitância de feixes pares, tornando possível realizar estudos controlados de interações de plasma em análogos em escala de sistemas astrofísicos.
“Os telescópios terrestres e de satélite não são capazes de ver os menores detalhes desses objetos distantes e até agora só podíamos confiar em simulações numéricas. Nosso trabalho de laboratório nos permitirá testar essas previsões obtidas a partir de cálculos muito sofisticados e validar como as bolas de fogo cósmicas são afetadas. pelo tênue plasma interestelar”, diz o coautor Gianluca Gregori, professor de física na Universidade de Oxford.
Além disso, acrescenta: “A conquista destaca a importância do intercâmbio e da colaboração entre instalações experimentais em todo o mundo, especialmente à medida que abrem novos caminhos no acesso a regimes físicos cada vez mais extremos”.
Além da LLE, da Universidade de Oxford e do CERN, as instituições colaboradoras nesta pesquisa incluem o Laboratório Rutherford Appleton do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC RAL), a Universidade de Strathclyde, o Estabelecimento de Armas Atômicas no Reino Unido, o Laboratório Nacional Lawrence Livermore , o Instituto Max Planck de Física Nuclear, a Universidade da Islândia e o Instituto Superior Técnico em Portugal.
As descobertas da equipe surgem em meio a esforços contínuos para avançar a ciência do plasma por meio da colisão de lasers de intensidade ultra-alta, uma via de pesquisa que será explorada usando o NSF OPAL Facility.
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