Durante unos 20 años, el profesor de Física Aplicada de Caltech, Paul Bellan, y su grupo han estado creando chorros de plasma acelerados magnéticamente, un gas conductor de electricidad compuesto de iones y electrones, en una cámara de vacío lo suficientemente grande como para albergar a una persona. (Los letreros de neón y los relámpagos son ejemplos cotidianos de plasma).

En esa cámara de vacío, volutas de gas son ionizadas por varios miles de voltios. Luego, 100.000 amperios fluyen a través del plasma, produciendo fuertes campos magnéticos que moldean el plasma en un chorro que viaja a unas 10 millas por segundo. Las grabaciones de alta velocidad muestran que el chorro pasa por varias etapas distintas en unas pocas decenas de microsegundos.

Bellan dice que el chorro de plasma parece un paraguas que crece en longitud. Una vez que la longitud alcanza uno o dos pies, el chorro sufre una inestabilidad que hace que se transforme en un sacacorchos que se expande rápidamente. Esta rápida expansión desencadena una inestabilidad diferente y más rápida que crea ondas.

"Las ondas ahogan la corriente eléctrica de 100 kiloamperios del chorro, de forma muy parecida a como poner el pulgar sobre una manguera de agua restringe el flujo y crea un gradiente de presión que acelera el agua", dice Bellan. "Ahogar la corriente del chorro crea un campo eléctrico lo suficientemente fuerte como para acelerar los electrones a alta energía."

Esos electrones de alta energía fueron identificados previamente en el experimento del jet por los rayos X que generan, y Bellan dice que su presencia fue una sorpresa. Esto se debe a que el conocimiento convencional dice que el plasma en chorro estaba demasiado frío para que los electrones fueran acelerados a alta energía. Tenga en cuenta que "frío" es un término relativo:aunque este plasma tenía una temperatura de aproximadamente 20.000 Kelvin (35.500°F), mucho más caliente que cualquier cosa que los humanos normalmente encuentren, no está ni cerca de la temperatura de la corona solar, que es más de 1 millones de Kelvin (1,8 millones de grados F).

"Entonces, la pregunta es:'¿Por qué vemos rayos X?'", afirma.

Se pensaba que los plasmas fríos eran incapaces de generar electrones de alta energía porque eran demasiado "colisionales", lo que significa que un electrón no puede viajar muy lejos antes de chocar con otra partícula. Es como un conductor que intenta hacer carrera a través de un atasco en una autopista. El conductor podría pisar el acelerador pero recorrería sólo unos pocos metros antes de estrellarse contra otro automóvil. En el caso de un plasma frío, un electrón aceleraría sólo aproximadamente una micra antes de colisionar y desacelerarse.

El primer intento del grupo Bellan de explicar este fenómeno fue un modelo que sugería que una fracción de los electrones logra evitar chocar con otras partículas durante el primer micrón de viaje. Según la teoría, eso permitió a los electrones acelerar a una velocidad ligeramente mayor y, una vez más rápido, podrían viajar un poco más lejos antes de encontrar otra partícula con la que podrían colisionar.

Una fracción de esos electrones ahora más rápidos evitaría nuevamente una colisión por un tiempo, lo que les permitiría alcanzar una velocidad aún mayor, lo que les permitiría viajar aún más lejos, creando un circuito de retroalimentación positiva que permitiría a unos pocos electrones afortunados llegar más lejos. y más rápido, alcanzando altas velocidades y altas energías.

Pero, aunque convincente, la teoría estaba equivocada, afirma Bellan.

"Se comprendió que este argumento tiene un defecto", dice, "porque los electrones en realidad no chocan en el sentido de golpear algo o no chocar con algo. En realidad, todos se desvían un poco todo el tiempo. Por lo tanto, no hay algo así como un electrón que colisiona o no colisiona."

Sin embargo, en el plasma frío del experimento del chorro aparecen electrones de alta energía. Para descubrir por qué, Bellan desarrolló un código informático que calculaba las acciones de 5.000 electrones y 5.000 iones que se desviaban continuamente entre sí en un campo eléctrico. Para descubrir cómo algunos electrones conseguían alcanzar altas energías, modificó los parámetros y observó cómo cambiaba el comportamiento de los electrones.

A medida que los electrones se aceleran en el campo eléctrico, pasan cerca de los iones pero nunca los tocan. Ocasionalmente, un electrón pasa tan cerca de un ion que transfiere energía a un electrón unido al ion y disminuye la velocidad, con el ion ahora "excitado" irradiando luz visible. Debido a que los electrones sólo ocasionalmente pasan tan cerca, por lo general simplemente se desvían ligeramente del ion sin excitarlo. Esta fuga ocasional de energía ocurre en la mayoría de los electrones, lo que significa que nunca alcanzan altas energías.

Cuando Bellan modificó su simulación, aparecieron algunos electrones de alta energía capaces de crear rayos X. "Los pocos afortunados que nunca se acercan lo suficiente a un ion para excitarlo nunca pierden energía", añade. "Estos electrones son acelerados continuamente en el campo eléctrico y finalmente obtienen suficiente energía para producir los rayos X."

Bellan dice que si este comportamiento ocurre en el chorro de plasma en su laboratorio de Caltech, probablemente también ocurra en erupciones solares y situaciones astrofísicas. Esto también puede explicar por qué a veces se ven rayos X inesperadamente de alta energía durante los experimentos de energía de fusión.

"Hay una larga historia de personas que vieron cosas que pensaban que eran una fusión útil", dice. "Resulta que fue fusión, pero no fue realmente útil. Fueron intensos campos eléctricos transitorios producidos por inestabilidades que aceleraron unas pocas partículas a energías extremadamente altas. Esto podría explicar lo que estaba pasando. Eso no es lo que la gente quiere, pero probablemente es lo que sucede."

El artículo que describe el trabajo, "Producción energética de cola de electrones a partir de encuentros binarios de electrones e iones discretos en un campo eléctrico sub-Dreicer", se publicó en la edición del 20 de octubre de Physics of Plasmas. y fue presentado el 3 de noviembre en la 65ª Reunión Anual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física en Denver, Colorado.

Más información: Paul M. Bellan, Producción energética de colas de electrones a partir de encuentros binarios de electrones e iones discretos en un campo eléctrico sub-Dreicer, Física de los plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0167004

Información de la revista: Física de los plasmas

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California