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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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.

Плазма в лаборатории, иллюстрация
Автор: Designer

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.

Протоны с импульсом 440 ГэВ/c извлекаются из кольца SPS с максимальной интенсивностью 3 × 1011 протонов в одном пучке длительностью 250 пс (1-σ) и поперечным размером σr = 1 мм. Поперечный профиль вторичного пучка визуализируется с помощью люминесцентного экрана 70 мм × 50 мм × 0,25 мм, легированного хромом (Chromox), расположенного в 10 см ниже по потоку от мишени, а для минимизации паразитного оптического света используется блокирующая фольга (алюминий толщиной 50 мкм). Хромоксный экран ориентирован под углом 45° к траектории пучка и просматривается цифровой камерой, время экспозиции которой составляет 24 мс для захвата всей сцинтилляции экрана. Расстояние до цифровой камеры 3,8 м обеспечивает разрешение изображения 50 мкм, однако фактическое разрешение составляет 100 мкм из-за полупрозрачности хромокса. На расстоянии 2 м ниже по течению от мишени электроны и позитроны отделяются от вторичного пучка и спектрально разрешаются с помощью магнитного спектрометра, состоящего из электромагнита и пары люминесцентных экранов (200 мм × 50 мм × 1 мм), расположенных на расстоянии 240 мм от оси. На входе в электромагнит помещаются бетонные кирпичи толщиной 20 см (на схеме не показаны), оставляя отверстие шириной 40 мм. Бетон также помещается для блокировки мишени от прямого обзора камер, чтобы минимизировать спекл-фон, возникающий на изображениях камер от воздействия высокоэнергетических адронов, рассеянных вокруг экспериментальной области. — Протоны с импульсом 440 ГэВ/c извлекаются из кольца SPS с максимальной интенсивностью 3 x 1011 протонов в одном пучке длительностью 250 пс (1-σ) и поперечным размером σr = 1 мм. Поперечный профиль вторичного пучка визуализируется с помощью люминесцентного экрана 70 мм x 50 мм x 0,25 мм, легированного хромом (Chromox), расположенного в 10 см ниже по потоку от мишени, а для минимизации паразитного оптического света используется блокирующая фольга (алюминий толщиной 50 мкм). Хромоксный экран ориентирован под углом 45° к траектории пучка и просматривается цифровой камерой, время экспозиции которой составляет 24 мс для захвата всей сцинтилляции экрана. Расстояние до цифровой камеры 3,8 м обеспечивает разрешение изображения 50 мкм, однако фактическое разрешение составляет 100 мкм из-за полупрозрачности хромокса. На расстоянии 2 м ниже по течению от мишени электроны и позитроны отделяются от вторичного пучка и спектрально разрешаются с помощью магнитного спектрометра, состоящего из электромагнита и пары люминесцентных экранов (200 мм x 50 мм x 1 мм), расположенных на расстоянии 240 мм от оси. На входе в электромагнит помещаются бетонные кирпичи толщиной 20 см (на схеме не показаны), оставляя отверстие шириной 40 мм. Бетон также помещается для блокировки мишени от прямого обзора камер, чтобы минимизировать спекл-фон, возникающий на изображениях камер от воздействия высокоэнергетических адронов, рассеянных вокруг экспериментальной области.
Автор: Arrowsmith, C.D., Simon, P., Bilbao, P.J. et al. Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams. Nat Commun 15, 5029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49346-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

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.

a Прямое сравнение моделирования FLUKA Monte-Carlo с данными необработанного изображения, полученными при облучении мишени и создании вторичного пучка («Мишень в») и при удалении мишени и облучении экрана только первичным протонным пучком («Без мишени»). Калибровка абсолютного флюенса получена с использованием известного профиля плотности первичного протонного пучка. b Интегральная интенсивность изображения (общая интенсивность) из 68 снимков преобразована в абсолютное число частиц, показывая случай, когда мишень облучается (красные круги, 46 снимков), и когда она удаляется (черные алмазы, 22 снимка). Планки погрешностей отражают стандартные ошибки подогнанных параметров для каждого выстрела. Монте-Карло моделирование FLUKA предсказанного светового выхода показано для обоих случаев (черные пунктирные и красные пунктирные линии), демонстрируя хорошее согласие с экспериментальными данными. Синяя пунктирная линия показывает вклад от e+- в моделировании FLUKA, подчеркивая, что это доминирующий вклад в усиленный сигнал.
Автор: Arrowsmith, C.D., Simon, P., Bilbao, P.J. et al. Laboratory realization of relativistic pair-plasma beams. Nat Commun 15, 5029 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49346-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

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.