Лазерные пушки и 100 миллиардов протонов: ученые создали «мини-черную дыру»

Исследователям удалось создать на Земле высокоплотные «плазменные огненные шары», воспроизводящие условия, естественно возникающие вокруг черных дыр и нейтронных звезд. Этот прорыв знаменует первое успешное создание релятивистских плазм электрон-позитронных пар в контролируемых лабораторных условиях — состояния материи, которое обычно встречается только в космосе. Работы были выполнены в рамках международного сотрудничества ученых Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера.

Создание релятивистских плазм электрон-позитронных пар является важным шагом в науке о плазме и может помочь углубить понимание самых экстремальных областей нашей Вселенной.

Самые плотные объекты во Вселенной

Черные дыры и нейтронные звезды являются одними из самых плотных объектов в космосе. Вокруг этих ультра-плотных небесных тел находятся плазмы, состоящие из электронов и позитронов, движущихся с околосветовой скоростью. Хотя такие релятивистские плазмы распространены во Вселенной, ученые долгое время испытывали трудности с их воссозданием в лаборатории.

Теперь исследователям из Университета Рочестера и их международным коллегам удалось добиться успеха в эксперименте, в котором было произведено в два-три раза больше плазменных пар, чем ранее сообщалось.

«Лабораторное создание плазменных огненных шаров, состоящих из материи, антиматерии и фотонов, является одной из главных целей исследований в области высокоэнергетической плотности», — отметил Чарльз Арроусмит, физик из Оксфордского университета, который вскоре присоединится к LLE. Арроусмит, ведущий автор нового исследования, сообщил, что предыдущие ограничения в основном были связаны с теоретическими исследованиями, пытавшимися охарактеризовать эти уникальные плазмы без успешного создания их в лаборатории.

«Релятивистские плазмы электрон-позитронных пар распространены в экстремальных астрофизических условиях, таких как магнитосферы черных дыр и нейтронных звезд, где аккреционные джеты и ветры пульсаров обогащены электрон-позитронными парами», — пишут Арроусмит и его коллеги в своем исследовании.

Создание плазменных огненных шаров в лаборатории

Прорывной эксперимент Арроусмита и команды из Рочестера состоялся на объекте HiRadMat ускорителя Super Proton Synchrotron (SPS) в ЦЕРН в Женеве, Швейцария. Было использовано более 100 миллиардов протонов из ускорителя SPS, каждый из которых обладал кинетической энергией, в 440 раз превышающей его энергию.

Во время эксперимента команда создала квази-нейтральные электрон-позитронные пары, которые демонстрировали поведение, характерное для настоящих плазм в космосе. «Мы представляем первые экспериментальные результаты, подтверждающие создание высокоплотных, квази-нейтральных, релятивистских электрон-позитронных пар с использованием пучка 440 ГэВ/с на ускорителе SPS ЦЕРН», — пишут ученые в своем исследовании.

Арроусмит заявил, что новое достижение «открывает совершенно новый рубеж в лабораторной астрофизике», добавив, что результаты команды позволяют «экспериментально исследовать микрофизику гамма-всплесков или джетов блазаров».

Кроме успешного создания астрофизических плазм, исследовательская группа также разработала новые методы настройки парных пучков, что позволит проводить контролируемые исследования взаимодействий плазмы в будущем. Это может привести к значительным новым достижениям по сравнению с прошлыми исследованиями, основанными в основном на симуляциях.

«Спутниковые и наземные телескопы не могут наблюдать мельчайшие детали далеких объектов, и мы полагались на численные симуляции», — сказал Джанлука Грегори, профессор физики из Оксфордского университета и соавтор нового исследования. «Наша лабораторная работа будет проверять и подтверждать эти предсказания», — добавил он.

Новое исследование Арроусмита и команды «Лабораторная реализация релятивистских парных плазменных пучков» опубликовано в журнале Nature Communications .