Как в черных дырах: ученые воссоздали в лаборатории плазму из антиматерии

В мире, где царствуют звезды-гиганты, черные дыры и пульсары, существуют явления, которые до недавнего времени оставались недоступными для изучения в земных лабораториях. Речь идет о релятивистской электрон-позитронной плазме — экзотическом состоянии вещества, где частицы движутся со скоростями, близкими к скорости света.

Представьте себе: симметричное зеркало нашей реальности, где напротив каждой частицы материи существует ее антипод — античастица, обладающая противоположным зарядом. Когда материя и антиматерия сталкиваются, происходит аннигиляция — полное преобразование их массы в энергию. В ранней Вселенной такие столкновения происходили повсеместно, но сегодня релятивистская электрон-позитронная плазма встречается лишь в самых экстремальных уголках космоса — в джетах черных дыр и пульсарных ветрах.

Долгое время ученые могли лишь строить теоретические модели, описывающие поведение этой необычной плазмы. Экспериментально получить достаточное количество антиматерии для ее изучения было практически невозможно. Но недавно группа физиков из CERN совершила прорыв, создав первый в мире плотный квазинейтральный пучок релятивистской электрон-позитронной плазмы.

В своей работе, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые описывают революционный метод, основанный на использовании пучка протонов, разогнанных до энергии 440 ГэВ на протонном суперсинхротроне (SPS) в CERN. Протоны направлялись на мишень, состоящую из графита и тантала. В результате столкновения протонов с ядрами мишени возникал каскад элементарных частиц, в том числе и огромное количество нейтральных пионов. Эти эфемерные частицы практически мгновенно распадались, порождая фотоны высокой энергии. В свою очередь, фотоны, взаимодействуя с ядрами тантала, рождали пары электрон-позитрон.

Для регистрации и измерения параметров полученной плазмы ученые использовали люминесцентные экраны и магнитный спектрометр. Результаты превзошли все ожидания:

• Количество рожденных пар электрон-позитрон достигло 10¹³, что на 2-3 порядка превышает результаты предыдущих экспериментов.

• Плотность плазмы составила 1.6x10¹² см⁻³, а ее размер превысил характерные масштабы для возникновения коллективных плазменных эффектов — длину Дебая и скин-слой.

• Полученный пучок был квазинейтральным, то есть содержал практически равное количество электронов и позитронов.

Данное исследование открывает новую эру в изучении релятивистской электрон-позитронной плазмы. Впервые у ученых появилась возможность воссоздать в лабораторных условиях процессы, происходящие в окрестностях черных дыр и пульсаров.

Это позволит не только подтвердить или опровергнуть существующие теории, но и глубже понять природу самых загадочных объектов во Вселенной. Возможно, именно изучение электрон-позитронной плазмы станет ключом к разгадке тайны происхождения высокоэнергетических космических лучей, быстрых радиовсплесков и других астрофизических феноменов.