Natuurkundigen van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Russische Academie van Wetenschappen, onderzoekers van de Chalmers University of Technology en computerwetenschappers van de Lobachevsky University hebben een nieuwe softwaretool ontwikkeld, PICADOR genaamd, voor numerieke modellering van laserplasma's op moderne supercomputers.

Het werk aan het PICADOR-softwaresysteem begon in 2010. PICADOR is een parallelle implementatie van de deeltjes-in-cel-methode die is geoptimaliseerd voor moderne heterogene clustersystemen. Het project combineerde de competenties en inspanningen van experts uit vele vakgebieden, zo de basis worden voor de doordachte optimalisatie en ontwikkeling van nieuwe computerbenaderingen die rekening houden met verschillende fysieke processen. Eventueel, dit maakte de weg vrij voor een doorbraak in modelleringscapaciteiten in een aantal onderzoeksprojecten. De functionele mogelijkheden en prestaties van het systeem maken het mogelijk om numerieke simulaties uit te voeren voor een reeks problemen die voorop lopen in de moderne laserplasmafysica.

In hun artikel gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , Wetenschappers van Nizhny Novgorod formuleerden de omstandigheden waaronder de lawine-achtige generatie van elektronen en positronen in het brandpunt van een krachtige laserpuls een elektron-positronplasma met een recorddichtheid oplevert. De studie zal het mogelijk maken om processen die plaatsvinden in astrofysische objecten te begrijpen en om de productieprocessen van elementaire deeltjes te bestuderen.

Een bekend feit in de kwantumfysica is de mogelijkheid om bepaalde deeltjes om te zetten in andere deeltjes. Vooral, in een voldoende sterk elektrisch of magnetisch veld, een gammafoton kan vervallen in twee deeltjes, een elektron en een positron. Tot nu, dit effect werd voornamelijk waargenomen in laboratoriumomstandigheden wanneer gammastraling werd doorgelaten door kristallen waarin voldoende sterke velden bestaan ​​in de buurt van atoomkernen. Wetenschappers zoeken naar een nieuw hulpmiddel om dit fenomeen te bestuderen:lasers die korte pulsen kunnen genereren met een vermogen van meer dan 10 petawatt. Dit vermogensniveau wordt bereikt door extreme focussering van straling. Bijvoorbeeld, wetenschappers stellen voor om een ​​laserveldconfiguratie te gebruiken die dipoolfocussering wordt genoemd. In dit geval, het scherpstelpunt wordt van alle kanten bestraald. Het is theoretisch aangetoond dat elektron-positron lawines kunnen worden waargenomen in het brandpunt van een dergelijke laserfaciliteit. Deeltjes gecreëerd door het verval van een gammafoton zullen worden versneld door een laserveld en zullen gammafotonen uitzenden, die op hun beurt aanleiding zullen geven tot nieuwe elektronen en positronen. Als resultaat, het aantal deeltjes in een korte tijd zou enorm moeten groeien, wat aanleiding zou geven tot een superdicht elektron-positron plasma.

Echter, er zijn enkele beperkingen aan de dichtheid van het plasma dat op deze manier kan worden verkregen. Op een gegeven moment, de laserstraling zal het te dichte plasma niet kunnen doordringen, en de lawine zal verdwijnen. Volgens bestaande schattingen de deeltjesconcentratie in de laserfocus zal iets meer dan 1024 deeltjes per kubieke centimeter bedragen. Ter vergelijking, ongeveer dezelfde elektronenconcentratie wordt gevonden in zware metalen, bijvoorbeeld, in platina of goud.

In hun nieuwe krant een team van auteurs onder leiding van professor A.M. Sergejev, Academicus van de Russische Academie van Wetenschappen, toonde aan dat onder bepaalde voorwaarden dit aantal kan een orde van grootte hoger zijn.

Grootschalige numerieke simulatie van de elektron-positron lawine-ontwikkeling in een strak gefocust laserveld demonstreert een fundamenteel nieuw onderzoeksobject, de quasistationaire toestanden van een dicht elektron-positron plasma. Deze staten hebben een zeer interessante en onverwachte structuur. Terwijl het laserveld in de vorm van een dipoolgolf een axiale symmetrie heeft, de verdeling van elektron-positron plasma als gevolg van de ontwikkeling van de huidige instabiliteit degenereert in twee dunne lagen die onder een willekeurige hoek zijn georiënteerd. De dikte van de lagen en de deeltjesconcentratie in deze lagen wordt blijkbaar alleen beperkt door de willekeur van het stralingsproces, wat leidt tot extreme plasmadichtheidswaarden. Met een totaal aantal deeltjes in de orde van 1011, de dichtheid overschrijdt de waarde van 1026 deeltjes per kubieke centimeter, en in ons geval werd het alleen beperkt door de resolutie van numerieke simulatie.