Elke dag, met weinig aandacht, de aarde wordt gebombardeerd door energetische deeltjes die haar bewoners overspoelen met een onzichtbare stof van straling, alleen waargenomen door de willekeurige detector, of astronoom, of een fysicus die naar behoren nota neemt van hun overlijden. Deze deeltjes vormen, misschien, het galactische residu van een verre supernova, of de tastbare echo van een pulsar. Dit zijn kosmische stralen.

Maar hoe worden deze deeltjes geproduceerd? En waar vinden ze de energie om ongehinderd te reizen door immense afstanden en interstellaire obstakels?

Dit zijn de vragen waar Frederico Fiuza zich de afgelopen drie jaar mee bezig heeft gehouden, via lopende projecten bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility.

Een natuurkundige aan het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië, Fiuza en zijn team doen grondig onderzoek naar plasmafysica om de fundamentele processen te onderscheiden die deeltjes versnellen. De antwoorden kunnen inzicht verschaffen in hoe kosmische straling hun energie wint en hoe vergelijkbare versnellingsmechanismen in het laboratorium kunnen worden onderzocht en voor praktische toepassingen kunnen worden gebruikt.

Hoewel het "hoe" van deeltjesversnelling een mysterie blijft, het "waar" is iets beter begrepen. "De straling die door elektronen wordt uitgezonden, vertelt ons dat deze deeltjes worden versneld door plasmaprocessen die verband houden met energetische astrofysische objecten, ' zegt Fiuza.

Het zichtbare heelal is gevuld met plasma, geïoniseerde materie die ontstaat bij oververhitting van gas, het scheiden van elektronen van ionen. Meer dan 99 procent van het waarneembare heelal bestaat uit plasma's, en de straling die ze uitzenden creëert het mooie, griezelige kleuren die nevels en andere astronomische wonderen accentueren.

De motivatie voor deze projecten kwam van de vraag of het mogelijk was om vergelijkbare plasmacondities in het laboratorium te reproduceren en te bestuderen hoe deeltjes worden versneld.

Krachtige lasers, zoals die beschikbaar zijn bij het University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics of bij de National Ignition Facility in het Lawrence Livermore National Laboratory, kan piekvermogens produceren van meer dan 1, 000 biljoen watt. Bij deze hoge machten, lasers kunnen materie onmiddellijk ioniseren en energetische plasmastromen creëren voor de gewenste studies van deeltjesversnelling.

Intieme natuurkunde

Om te bepalen welke processen kunnen worden onderzocht en hoe experimenten efficiënt kunnen worden uitgevoerd, Het team van Fiuza herschept de omstandigheden van deze lasergestuurde plasma's met behulp van grootschalige simulaties. rekenkundig, hij zegt, het wordt een hele uitdaging om tegelijkertijd op te lossen voor de grote schaal van het experiment en de zeer kleinschalige fysica op het niveau van individuele deeltjes, waar deze stromen velden produceren die op hun beurt deeltjes versnellen.

Omdat het bereik in schalen zo dramatisch is, ze wendden zich tot de petascale kracht van Mira, de Blue Gene/Q-supercomputer van ALCF, om de allereerste 3D-simulaties van deze laboratoriumscenario's uit te voeren. Om de simulatie aan te sturen, ze gebruikten OSIRIS, een state-of-the-art, deeltjes-in-cel code voor het modelleren van plasma's, ontwikkeld door UCLA en het Instituto Superior Técnico, in Portugal, waar Fiuza promoveerde.

Een deel van de complexiteit van het modelleren van plasma's is afgeleid van de innige koppeling tussen deeltjes en elektromagnetische straling:deeltjes zenden straling uit en de straling beïnvloedt de beweging van de deeltjes.

In de eerste fase van dit project, Het team van Fiuza toonde aan dat een plasma-instabiliteit, de Weibel-instabiliteit, kan een groot deel van de energie in plasmastromen omzetten in magnetische velden. Ze hebben een sterke overeenkomst aangetoond in een één-op-één vergelijking van de experimentele gegevens met de 3D-simulatiegegevens, die werd gepubliceerd in Natuurfysica , in 2015. Dit hielp hen te begrijpen hoe de sterke velden die nodig zijn voor deeltjesversnelling kunnen worden gegenereerd in astrofysische omgevingen.

Fiuza gebruikt tennis als analogie om de rol te verklaren die deze magnetische velden spelen bij het versnellen van deeltjes binnen schokgolven. Het net vertegenwoordigt de schokgolf en de rackets van de twee spelers zijn verwant aan magnetische velden. Als de spelers naar het net gaan terwijl ze de bal tussen elkaar stuiteren, de bal, of deeltjes, snel versnellen.

"De conclusie is, we begrijpen nu hoe magnetische velden worden gevormd die sterk genoeg zijn om deze deeltjes heen en weer te kaatsen om te worden geactiveerd. Het is een proces dat uit meerdere stappen bestaat:je moet beginnen met het genereren van sterke velden - en we hebben een instabiliteit gevonden die sterke velden kan genereren uit het niets of uit zeer kleine fluctuaties - en dan moeten deze velden de deeltjes efficiënt verstrooien, ' zegt Fiuza.

Opnieuw verbinden

Maar deeltjes kunnen op een andere manier worden geactiveerd als het systeem vanaf het begin de sterke magnetische velden levert.

"In sommige gevallen zoals pulsars, je hebt buitengewone magnetische veldamplitudes, " merkt Fiuza op. "Daar, je wilt begrijpen hoe de enorme hoeveelheid energie die in deze velden is opgeslagen direct kan worden overgedragen naar deeltjes. In dit geval, we hebben niet de neiging om stromen of schokken te zien als het dominante proces, maar eerder magnetische herverbinding."

Magnetische herverbinding, een fundamenteel proces in astrofysische en fusieplasma's, wordt verondersteld de oorzaak te zijn van zonnevlammen, coronale massa-ejecties, en andere vluchtige kosmische gebeurtenissen. Wanneer magnetische velden van tegengestelde polariteit worden samengebracht, hun topologieën zijn gewijzigd. De magnetische veldlijnen herschikken zodanig dat magnetische energie wordt omgezet in warmte en kinetische energie, veroorzaakt een explosieve reactie die de versnelling van deeltjes aandrijft. Dit was de focus van Fiuza's meest recente project bij de ALCF.

Opnieuw, Het team van Fiuza heeft de mogelijkheid gemodelleerd om dit proces in het laboratorium te bestuderen met lasergestuurde plasma's. Om 3D uit te voeren, first-principles simulaties (simulaties afgeleid van fundamentele theoretische aannames/voorspellingen), Fiuza moest tientallen miljarden deeltjes modelleren om het lasergestuurde gemagnetiseerde plasmasysteem weer te geven. Ze modelleerden de beweging van elk deeltje en selecteerden vervolgens de duizend meest energetische. De beweging van die deeltjes werd individueel gevolgd om te bepalen hoe ze werden versneld door het magnetische herverbindingsproces.

"Het verbazingwekkende aan deze kosmische versnellers is dat een zeer, zeer klein aantal deeltjes draagt ​​een groot deel van de energie in het systeem, laten we zeggen 20 procent. Dus je hebt deze enorme energie in dit astrofysische systeem, en door een wonderbaarlijk proces, het gaat allemaal naar een paar geluksdeeltjes, " zegt hij. "Dat betekent dat de individuele beweging van deeltjes en de baan van deeltjes erg belangrijk zijn."

De resultaten van het team, die zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , in 2016, laten zien dat lasergestuurde herverbinding leidt tot sterke deeltjesversnelling. Als twee uitzettende plasmapluimen met elkaar interageren, ze vormen een dunne stroomplaat, of herverbindingslaag, die instabiel wordt, breken in kleinere vellen. Tijdens dit proces, het magnetische veld wordt vernietigd en een sterk elektrisch veld wordt opgewekt in het herverbindingsgebied, elektronen efficiënt versnellen als ze het gebied binnenkomen.

Fiuza verwacht dat, net als zijn vorige project, deze simulatieresultaten kunnen experimenteel worden bevestigd en een venster openen naar deze mysterieuze kosmische versnellers.