实验室里的迷你宇宙：在地球上创造“宇宙火球”

一个国际科学家团队开发了一种在地球上实验产生等离子体“火球”的新方法。

研究人员在实验室环境中成功地产生了相对论电子-正电子等离子体，模拟了黑洞和中子星附近的条件。这项开创性的工作涉及罗切斯特大学和欧洲核子研究中心等机构，为研究复杂的天体物理现象开辟了新的途径。

极端天体物理环境

黑洞和中子星是宇宙中已知密度最大的物体。在这些极端天体物理环境的内部和周围存在等离子体，这是物质的第四种基本状态，与固体、液体和气体并列。具体来说，这些极端条件下的等离子体被称为相对论电子-正电子对等离子体，因为它们由电子和正电子的集合组成，它们都以接近光速的速度飞行。

实验室等离子体生产的突破

虽然这种等离子体在深空环境中无处不在，但在实验室环境中产生它们却具有挑战性。

现在，包括来自罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的研究人员在内的一个国际科学家团队，第一次通过实验产生了高密度的相对论性电子-正电子对等离子体束，产生的电子对比以前报道的多两到三个数量级。该团队的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

这一突破为后续实验打开了大门，这些实验可能会产生关于宇宙如何运作的基本发现。

高能量密度科学的启示

“实验室产生由物质、反物质和光子组成的等离子体‘火球’是高能量密度科学前沿的一个研究目标，”该研究的主要作者、牛津大学的物理学家查尔斯·阿罗史密斯（Charles Arrowsmith）说，他将于今年秋天加入LLE。“但是，到目前为止，产生足够多的电子-正电子对的实验困难，限制了我们对纯理论研究的理解。”

新型实验技术

罗切斯特研究人员达斯汀·弗鲁拉（LLE等离子体和超快激光科学与工程部门主任）和丹尼尔·哈伯伯格（LLE研究员）与阿罗史密斯和其他科学家合作，利用位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织（CERN）的超级质子同步加速器（SPS）加速器上的HiRadMat设备设计了一个新的实验。

该实验利用SPS加速器中超过1000亿个质子产生了超高产量的准中性电子-正电子对光束。每个质子携带的动能是静止能量的440倍。由于如此大的动量，当质子撞击一个原子时，它有足够的能量释放其内部成分 —— 夸克和胶子 —— 然后它们立即重新组合，产生一束最终衰变成电子和正电子的射线。

天体物理等离子体的实验室生成

换句话说，他们在实验室中产生的光束有足够的粒子，开始表现得像真正的天体物理等离子体。

阿罗史密斯说：“这为实验室天体物理学开辟了一个全新的前沿，使实验探测伽马射线爆发或耀变体喷流的微观物理学成为可能。”

该团队还开发了修改对光束发射度的技术，使得在天体物理系统的缩放类似物中进行等离子体相互作用的控制研究成为可能。

增进对宇宙现象的认识

“卫星和地面望远镜无法看到这些遥远物体的最小细节，到目前为止，我们只能依靠数值模拟。我们的实验室工作将使我们能够测试那些从非常复杂的计算中得到的预测，并验证宇宙火球是如何受到脆弱的星际等离子体的影响的，”合著者、牛津大学物理学教授吉安卢卡·格雷戈里说。

此外，他补充说：“这一成就突出了世界各地实验设施之间交流与合作的重要性，特别是当它们在接近日益极端的物理环境方面开辟了新的领域。”

该团队的发现来自于通过碰撞超高强度激光来推进等离子体科学的持续努力，这一研究途径将利用NSF OPAL设施进行探索。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！