I buchi neri e le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più densi conosciuti nell’Universo. All’interno e attorno a questi ambienti astrofisici estremi esistono i plasmi, il quarto stato fondamentale della materia insieme a solidi, liquidi e gas.
Generare in laboratorio plasmi relativistici ad alta densità di coppie di elettroni-positroni
Nello specifico, i plasmi in queste condizioni estreme sono noti come plasmi relativistici di coppie elettrone-positrone perché comprendono un insieme di elettroni e positroni, che volano tutti quasi alla velocità della luce.
Sebbene tali plasmi siano onnipresenti nelle condizioni dello deep space, produrli in un ambiente di laboratorio si è rivelato impegnativo.
Per la prima volta, un team internazionale di scienziati, tra cui ricercatori del Laboratorio di Energetica Laser (LLE) dell’Università di Rochester, ha generato sperimentalmente fasci di plasmi relativistici ad alta densità di coppie di elettroni-positroni, producendo da due a tre ordini di grandezza di più coppie di quelle precedentemente riportate. I risultati del team sono stati pubblicati su Nature Communications.
Lo studio
La svolta apre le porte a successivi esperimenti che potrebbero portare a scoperte fondamentali su come funziona l’Universo: “La generazione in laboratorio di ‘palle di fuoco‘ al plasma composte da materia, antimateria e fotoni è un obiettivo di ricerca all’avanguardia nella scienza dell’alta densità energetica“, ha affermato l’autore principale Charles Arrowsmith, un fisico dell’Università di Oxford.
“La difficoltà sperimentale di produrre coppie di plasmi elettrone-positrone in numero sufficientemente elevato ha, fino a questo punto, limitato la nostra comprensione a studi puramente teorici“.
I ricercatori di Rochester Dustin Froula, direttore della divisione per la scienza e l’ingegneria del plasma e dei laser ultraveloci presso LLE, e Daniel Haberberger, uno scienziato dello staff presso LLE, hanno collaborato con Arrowsmith e altri scienziati per progettare un nuovo esperimento che sfrutta la struttura HiRadMat presso il Super Sincrotrone Protonico ( SPS) presso l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) a Ginevra, Svizzera.
Quell’esperimento ha generato rese estremamente elevate di fasci di coppie di plasmi elettroni-positroni quasi neutri utilizzando più di 100 miliardi di protoni provenienti dall’acceleratore SPS. Ogni protone trasporta un’energia cinetica 440 volte maggiore della sua energia a riposo.
A causa di una quantità di moto così grande, quando il protone colpisce un atomo, ha energia sufficiente per rilasciare i suoi costituenti interni, quark e gluoni, che poi si ricombinano immediatamente per produrre uno sciame che alla fine decade in elettroni e positroni.
In altre parole, il fascio generato in laboratorio conteneva abbastanza particelle per iniziare a comportarsi come un vero plasma astrofisico: “Questo apre una frontiera completamente nuova nell’astrofisica di laboratorio, rendendo possibile sondare sperimentalmente la microfisica dei lampi di raggi gamma o dei getti blazar“, ha aggiunto Arrowsmith.
Il team ha inoltre sviluppato tecniche per modificare l’emittanza dei fasci di plasmi doppi, rendendo possibile l’esecuzione di studi controllati sulle interazioni del plasma in analoghi in scala di sistemi astrofisici.
Conclusioni
“I telescopi satellitari e terrestri non sono in grado di vedere i più piccoli dettagli di quegli oggetti distanti e finora potevamo fare affidamento solo su simulazioni numeriche. Il nostro lavoro di laboratorio ci consentirà di testare quelle previsioni ottenute da calcoli molto sofisticati e convalidare come vengono influenzate le palle di fuoco cosmiche dal tenue plasma interstellare“, ha spiegato il coautore Gianluca Gregori, professore di fisica all’Università di Oxford.
Inoltre: “Il risultato evidenzia l’importanza dello scambio e della collaborazione tra strutture sperimentali in tutto il mondo, soprattutto perché apre nuove strade nell’accesso a regimi fisici sempre più estremi“.
Le scoperte del team rientrano nel contesto degli studi in corso per far avanzare la scienza dei plasmi relativistici mediante la collisione di laser ad altissima intensità, una strada di ricerca che sarà esplorata utilizzando la struttura NSF OPAL.
