Estructura de campo en una onda dipolo. Crédito:E. Efimenko
Físicos del Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de Rusia, Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers y científicos informáticos de la Universidad Lobachevsky han desarrollado una nueva herramienta de software llamada PICADOR para el modelado numérico de plasmas láser en supercomputadoras modernas.
El trabajo en el sistema de software PICADOR comenzó en 2010. PICADOR es una implementación paralela del método de partículas en celda que ha sido optimizado para sistemas modernos de clústeres heterogéneos. El proyecto combinó las competencias y los esfuerzos de expertos de muchos campos, convirtiéndose así en la base para la optimización bien pensada y el desarrollo de nuevos enfoques informáticos que tienen en cuenta varios procesos físicos. Finalmente, esto abrió el camino para un gran avance en las capacidades de modelado en una serie de proyectos de investigación. Las capacidades funcionales y el rendimiento del sistema hacen posible realizar simulaciones numéricas en una variedad de problemas a la vanguardia de la física moderna de plasma láser.
En su artículo publicado en Informes científicos , Los científicos de Nizhny Novgorod formularon las condiciones bajo las cuales la generación similar a una avalancha de electrones y positrones en el foco de un pulso láser de alta potencia produce un plasma de electrones y positrones de densidad récord. El estudio permitirá comprender los procesos que ocurren en los objetos astrofísicos y estudiar los procesos de producción de partículas elementales.
Imagen izquierda:distribución de densidad al comienzo de la interacción, imagen central:se forman varias láminas delgadas, imagen de la derecha - la etapa final de la evolución, Se forman dos láminas Crédito:E. Efimenko
Un hecho bien conocido en física cuántica es la posibilidad de transformar determinadas partículas en otras partículas. En particular, en un campo eléctrico o magnético suficientemente fuerte, un fotón gamma puede descomponerse en dos partículas, un electrón y un positrón. Hasta ahora, este efecto se observó en condiciones de laboratorio principalmente cuando la radiación gamma se transmitía a través de cristales en los que existen campos suficientemente fuertes cerca de los núcleos atómicos. Los científicos buscan una nueva herramienta para estudiar este fenómeno:láseres capaces de generar pulsos cortos con una potencia de más de 10 petavatios. Este nivel de potencia se logra mediante un enfoque extremo de la radiación. Por ejemplo, Los científicos sugieren utilizar una configuración de campo láser denominada enfoque dipolo. En este caso, el punto de enfoque se irradia desde todos los lados. Se ha demostrado teóricamente que pueden observarse avalanchas de electrones y positrones en el foco de una instalación láser de este tipo. Las partículas creadas por la desintegración de un fotón gamma serán aceleradas por un campo láser y emitirán fotones gamma, que a su vez dará lugar a nuevos electrones y positrones. Como resultado, el número de partículas en poco tiempo debería crecer inmensamente dando lugar a un plasma superdenso de electrones y positrones.
Sin embargo, existen algunas limitaciones en la densidad del plasma que se puede obtener de esta forma. En algún momento, la radiación láser no podrá penetrar el plasma que se ha vuelto demasiado denso, y la avalancha disminuirá. Según estimaciones existentes, La concentración de partículas en el foco láser será un poco más de 1024 partículas por centímetro cúbico. Para comparacion, aproximadamente la misma concentración de electrones se encuentra en los metales pesados, por ejemplo, en platino u oro.
Los haces de electrones y positrones, así como los fotones gamma, se emiten desde el foco a lo largo del eje de simetría. Crédito:E. Efimenko
En su nuevo periódico, un equipo de autores encabezado por el profesor A.M. Sergeev, Académico de la Academia de Ciencias de Rusia, mostró que bajo ciertas condiciones, este número puede ser un orden de magnitud mayor.
La simulación numérica a gran escala del desarrollo de la avalancha de electrones y positrones en un campo láser estrechamente enfocado demuestra un objeto de investigación fundamentalmente nuevo, los estados cuasiestacionarios de un plasma denso de electrones y positrones. Estos estados tienen una estructura muy interesante e inesperada. Mientras que el campo láser en forma de onda dipolo tiene una simetría axial, la distribución de plasma de electrones-positrones resultante del desarrollo de la inestabilidad actual degenera en dos capas delgadas orientadas en un ángulo aleatorio. El espesor de las capas y la concentración de partículas en estas capas está aparentemente limitado solo por la aleatoriedad del proceso de radiación. lo que conduce a valores extremos de densidad plasmática. Con un número total de partículas del orden de 1011, la densidad excede el valor de 1026 partículas por centímetro cúbico, y en nuestro caso solo estuvo limitado por la resolución de la simulación numérica.
