Cotidiano, con poco aviso, la Tierra es bombardeada por partículas energéticas que bañan a sus habitantes en un polvo invisible de radiación, observado solo por el detector aleatorio, o astrónomo, o el físico notando debidamente su fallecimiento. Estas partículas constituyen, quizás, el residuo galáctico de alguna supernova lejana, o el eco tangible de un púlsar. Estos son rayos cósmicos.

Pero, ¿cómo se producen estas partículas? ¿Y dónde encuentran la energía para viajar sin el control de inmensas distancias y obstáculos interestelares?

Estas son las preguntas que Frederico Fiuza ha abordado durante los últimos tres años, a través de proyectos en curso en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Un físico del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en California, Fiuza y su equipo están llevando a cabo investigaciones exhaustivas de la física del plasma para discernir los procesos fundamentales que aceleran las partículas. Las respuestas podrían proporcionar una comprensión de cómo los rayos cósmicos obtienen su energía y cómo mecanismos de aceleración similares podrían probarse en el laboratorio y usarse para aplicaciones prácticas.

Si bien el "cómo" de la aceleración de partículas sigue siendo un misterio, el "dónde" se entiende un poco mejor. "La radiación emitida por electrones nos dice que estas partículas son aceleradas por procesos de plasma asociados con objetos astrofísicos energéticos, "dice Fiuza.

El universo visible está lleno de plasma, materia ionizada formada cuando el gas se sobrecalienta, separando electrones de iones. Más del 99 por ciento del universo observable está formado por plasmas, y la radiación emitida por ellos crea lo bello, colores espeluznantes que acentúan nebulosas y otras maravillas astronómicas.

La motivación de estos proyectos provino de preguntarse si era posible reproducir condiciones plasmáticas similares en el laboratorio y estudiar cómo se aceleran las partículas.

Láseres de alta potencia, como los disponibles en el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester o en la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, puede producir potencias máximas superiores a 1, 000 billones de vatios. En estos altos poderes, Los láseres pueden ionizar instantáneamente la materia y crear flujos de plasma energéticos para los estudios deseados de aceleración de partículas.

Física íntima

Para determinar qué procesos se pueden probar y cómo realizar experimentos de manera eficiente, El equipo de Fiuza recrea las condiciones de estos plasmas impulsados ​​por láser utilizando simulaciones a gran escala. Computacionalmente, él dice, se vuelve muy desafiante resolver simultáneamente la gran escala del experimento y la física a muy pequeña escala a nivel de partículas individuales, donde estos flujos producen campos que a su vez aceleran las partículas.

Debido a que el rango de escalas es tan dramático, se volvieron hacia el poder de petaescala de Mira, la supercomputadora Blue Gene / Q de la ALCF, para ejecutar las primeras simulaciones en 3D de estos escenarios de laboratorio. Para impulsar la simulación, usaron OSIRIS, un estado de la técnica, código de partículas en la celda para modelar plasmas, desarrollado por UCLA y el Instituto Superior Técnico, En portugal, donde Fiuza obtuvo su doctorado.

Parte de la complejidad involucrada en el modelado de plasmas se deriva del íntimo acoplamiento entre las partículas y la radiación electromagnética:las partículas emiten radiación y la radiación afecta el movimiento de las partículas.

En la primera fase de este proyecto, El equipo de Fiuza demostró que una inestabilidad del plasma, la inestabilidad de Weibel, es capaz de convertir una gran fracción de la energía de los flujos de plasma en campos magnéticos. Han mostrado un fuerte acuerdo en una comparación uno a uno de los datos experimentales con los datos de simulación 3-D, que fue publicado en Física de la naturaleza , en 2015. Esto les ayudó a comprender cómo se pueden generar los campos intensos necesarios para la aceleración de partículas en entornos astrofísicos.

Fiuza usa el tenis como una analogía para explicar el papel que juegan estos campos magnéticos en la aceleración de partículas dentro de las ondas de choque. La red representa la onda de choque y las raquetas de los dos jugadores son similares a campos magnéticos. Si los jugadores se mueven hacia la red mientras rebotan el balón entre sí, la pelota, o partículas, acelerar rápidamente.

"La conclusión es, ahora entendemos cómo se forman los campos magnéticos que son lo suficientemente fuertes como para hacer rebotar estas partículas de un lado a otro para ser energizadas. Es un proceso de varios pasos:debe comenzar generando campos fuertes, y encontramos una inestabilidad que puede generar campos fuertes a partir de la nada o de fluctuaciones muy pequeñas, y luego estos campos deben dispersar las partículas de manera eficiente. "dice Fiuza.

Reconectando

Pero las partículas se pueden energizar de otra manera si el sistema proporciona los campos magnéticos fuertes desde el principio.

"En algunos escenarios, como púlsares, tienes amplitudes de campo magnético extraordinarias, "apunta Fiuza." Allí, desea comprender cómo la enorme cantidad de energía almacenada en estos campos se puede transferir directamente a las partículas. En este caso, no solemos pensar en los flujos o los shocks como el proceso dominante, sino más bien reconexión magnética ".

Reconexión magnética, un proceso fundamental en plasmas astrofísicos y de fusión, se cree que es la causa de las erupciones solares, eyecciones de masa coronal, y otros eventos cósmicos volátiles. Cuando se juntan campos magnéticos de polaridad opuesta, sus topologías se cambian. Las líneas del campo magnético se reorganizan de tal manera que convierten la energía magnética en calor y energía cinética, provocando una reacción explosiva que impulsa la aceleración de las partículas. Este fue el tema central del proyecto más reciente de Fiuza en el ALCF.

De nuevo, El equipo de Fiuza modeló la posibilidad de estudiar este proceso en el laboratorio con plasmas impulsados ​​por láser. Para realizar 3-D, Simulaciones de primeros principios (simulaciones derivadas de suposiciones / predicciones teóricas fundamentales), Fiuza necesitaba modelar decenas de miles de millones de partículas para representar el sistema de plasma magnetizado impulsado por láser. Modelaron el movimiento de cada partícula y luego seleccionaron las mil más enérgicas. El movimiento de esas partículas se rastreó individualmente para determinar cómo fueron aceleradas por el proceso de reconexión magnética.

"Lo que es bastante sorprendente acerca de estos aceleradores cósmicos es que un muy, un número muy pequeño de partículas transporta una gran fracción de la energía en el sistema, digamos el 20 por ciento. Entonces tienes esta enorme energía en este sistema astrofísico, y de algún proceso milagroso, todo se reduce a unas pocas partículas afortunadas, ", dice." Eso significa que el movimiento individual de las partículas y la trayectoria de las partículas son muy importantes ".

Los resultados del equipo, que fueron publicados en Cartas de revisión física , en 2016, muestran que la reconexión impulsada por láser conduce a una fuerte aceleración de partículas. Mientras dos penachos de plasma en expansión interactúan entre sí, forman una fina hoja de corriente, o capa de reconexión, que se vuelve inestable, rompiendo en hojas más pequeñas. Durante este proceso, el campo magnético se aniquila y se excita un fuerte campo eléctrico en la región de reconexión, acelera eficazmente los electrones a medida que entran en la región.

Fiuza espera que, como su proyecto anterior, Estos resultados de simulación se pueden confirmar experimentalmente y abrir una ventana a estos misteriosos aceleradores cósmicos.