Физики сосредоточились на одном из самых экстремальных состояний материи, производимых на Земле

Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) открыли новый способ измерения и понимания этой плазмы, одного из самых экстремальных состояний материи, когда-либо созданных на Земле.

Физик Брайан Краус и цифры из его статьи. Фото: Эль Старкман / Управление связи PPPL; Киран Сударсанан

Лучшее понимание может принести пользу, начиная от тонкой настройки плазмы высокой плотности в экспериментах по термоядерному синтезу с инерционным удержанием до лучшего понимания процессов во Вселенной.

В миллиард раз плотнее

Плазма HED в миллиард раз плотнее, чем плазма, питающая термоядерные реакции в токамаках, установках магнитного термоядерного синтеза в форме пончика, таких как Национальный эксперимент по модернизации сферического тора (NSTX-U) в PPPL. «В плазме HED все работает по-другому, – сказал физик PPPL Брайан Краус, ведущий автор статьи в Письма с физическими проверками который описывает методы измерения. «Нам нужно лучше понять, как физика работает при таких очень высоких плотностях, но до сих пор было трудно уточнить измерения».

Плазма составляет 99 процентов видимой Вселенной и состоит из свободно плавающих электронов и атомных ядер, или ионы. Плазма HED настолько плотная, что может быть практически твердой, в отличие от газообразного состояния плазмы токамака, что создает условия, которые физики стремятся исследовать.

Краус генерировал плазму HED, воздействуя лазером сверхвысокой интенсивности на тонкие полоски титановой фольги в Лаборатории перспективных лазеров и экстремальной фотоники в Университете штата Колорадо. Затем он и его коллеги использовали современные компьютерные коды для анализа спектральных данных с высоким разрешением, которые рентгеновская диагностика захватила из плазмы, которая вспыхнула всего на триллионную долю секунды.

По словам Крауса, плазма HED модифицировала рентгеновские линии, уширяя и сдвигая их в сторону более низких энергий. «Вместе эти эффекты позволяют нам измерять как плотность плазмы, так и температуру ионов, чего раньше никогда не делали. Иначе в такой плотной плазме очень трудно получить эти измерения ».

Исследование выявило ключевые аспекты плазмы, которые ранее не были известны. Например, анализ показал, что температуры ионов и электронов не были эквивалентными, как предполагалось в такой плазме, а ионы были значительно холоднее. «Оказывается, что некоторые приближения, которые делали люди, не соответствуют данным, которые мы видели», – сказал Краус.

Наблюдением за открытием пути был Филип Эфтимион, научный руководитель Крауса, который возглавляет отдел науки и технологий плазмы в PPPL и является соавтором статьи. «Фил действительно руководил мной при планировании экспериментов и выборе анализа данных, – сказал Краус. В июне он получил докторскую степень в Принстонском университете и вскоре после этого был назначен штатным исследователем.

«Результаты диссертации Брайана очень особенные, – сказал Эфтимион. «Способность Брайана понимать уширение рентгеновских линий привело к одновременным точным измерениям температуры электронов и ионов. Это позволило нам сделать вывод, что электроны и ионы не находятся в равновесии. Подобная ситуация наблюдается в плазме вблизи плотности твердого тела впервые. Брайан овладел множеством исследовательских инструментов, чтобы завершить эту работу. Наблюдение и понимание новых явлений – вот что действительно волнует ученых ».

Проведение эксперимента в штате Колорадо проводилось при поддержке LaserNetUS, нового консорциума лазерных установок, организованного Министерством энергетики. Краус провел опубликованные измерения в рамках первого экспериментального цикла программы. «LaserNetUS трансформирует ландшафт лазерной науки в США, расширяя доступ к высококачественному лазерному оборудованию», – сказал Краус. «LaserNetUS предоставил нам не только среду выполнения, но и возможность сотрудничать с великими учеными за пределами PPPL».

Краус участвовал в предшественнике программы DOE Science Undergraduate Laboratory Internship (SULI) и узнал о физике плазмы во время недельного курса, который PPPL проводил вместе с программой. «Я никогда бы не услышал о плазме до этого курса», – сказал Краус. Затем он прошел стажировку в Национальном центре термоядерного синтеза DIII-D, которым General Atomics управляет для Министерства энергетики в Сан-Диего, Калифорния. «Это убедило меня в том, что это область физики, имеющая прямое всемирное значение для решения проблемы термоядерного синтеза и обеспечения доступности чистой энергии для всех», – сказал он.

Краус сейчас устанавливает высокоскоростную камеру, чтобы сфотографировать эволюцию лазерной HED-плазмы в штате Колорадо. «На этот раз мы проводим те же эксперименты, но в основном с новой камерой, которая может видеть время», – сказал он. «Очень сложно снять фильм, если вы хотите увидеть вещи, которые происходят за триллионные доли секунды, поэтому необходимы новые эксперименты, чтобы настроить камеру и посмотреть, что мы можем узнать», – сказал он.

Ученые также разрабатывают «продвинутые коды без приближений, которые могут позволить полное моделирование плазмы HED», – сказал Краус. Он добавил, что использование таких кодов для проведения анализа, продемонстрированного PPPL, может «широко применяться для диагностики горячей плазмы с плотностью, близкой к твердой».