Fizycy złapali protony „surfujące” na falach uderzeniowych

Eksperyment laserowy może pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób cząstki subatomowe osiągają wysokie energie.

Protony potrafią surfować po naprawdę ostrych falach.

Nowy eksperyment sugeruje, że cząstki subatomowe mogą być przyspieszane w procesie podobnym do łapania fal przez surferów. Protony uzyskują przyspieszenie nie od fal oceanicznych, ale od fal uderzeniowych w plazmie, mieszaninie naładowanych elektrycznie cząstek. Takie fale uderzeniowe to zakłócenia przypominające bum dźwiękowy, charakteryzujące się nagłym wzrostem gęstości, temperatury i ciśnienia.

Badania mogą pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu niektórych wysokoenergetycznych cząstek, które przedzierają się przez kosmos. Uważa się, że fale uderzeniowe w kosmosie napędzają naładowane cząstki, ale nadal nie jest w pełni zrozumiałe, w jaki sposób cząstki otrzymują swoje siły.

W eksperymencie, który naśladował niektóre rodzaje kosmicznych fal uderzeniowych, protony osiągnęły energię do 80 000 elektronowoltów, donoszą fizycy. W kosmosie podobne fale uderzeniowe występują, gdy wypływ naładowanych cząstek ze Słońca spotyka się na przykład z polem magnetycznym Ziemi, a także tam, gdzie cząstki te dramatycznie zwalniają, gdy zbliżają się do krawędzi Układu Słonecznego, w tak zwanym szoku końcowym.

Naukowcy wykorzystali potężne lasery do odtworzenia fizyki takich kosmicznych fal uderzeniowych na mniejszą skalę. W eksperymencie podmuch lasera odparował cel, wysyłając wybuch plazmy w chmurę gazowego wodoru. Gdy plazma przedzierała się przez gaz, utworzyła się fala uderzeniowa, a protony z gazu przyspieszyły, jak wykazały pomiary.

Naukowcy przewidzieli, że protony mogą być przyspieszane w procesie zwanym przyspieszeniem surfingu szokowego, który zachodzi w obecności pola magnetycznego. Cząstka jest popychana przez pole elektryczne fali uderzeniowej, a pole magnetyczne pomaga cząstce utrzymać kurs. Jeśli cząstka oddala się od fali uderzeniowej, pole magnetyczne skręca trajektorię cząstki, aby przywrócić ją do fali, dzięki czemu proton może ponownie surfować.

Oczywiście nie ma takiego automatycznego powrotu dla surferów, mówi Julien Fuchs z CNRS i Laboratorium Stosowania Laserów Intensywnych w Palaiseau we Francji. Szkoda, zastanawia się: „Myślę, że by im się to spodobało”.

Mimo to same pomiary nie wykazały, czy szokowanie było odpowiedzialne za przyspieszenie protonów. „Wyzwaniem jest zawsze interpretacja, więc co dokładnie spowodowało to przyspieszenie”, mówi fizyk plazmowy Frederico Fiuza z Narodowego Laboratorium Akceleratora SLAC w Menlo Park w Kalifornii, który nie był zaangażowany w badania.

Tak więc Fuchs i współpracownicy stworzyli symulacje komputerowe eksperymentu. Porównanie symulacji z rzeczywistymi danymi sugeruje, że protony surfowały po fali uderzeniowej.

„To zdecydowanie ekscytujący wynik”, mówi fizyk plazmowy Carolyn Kuranz z University of Michigan w Ann Arbor. Mówi, że ma nadzieję, że dalsze badania pozwolą odkryć bardziej bezpośrednie dowody, które nie opierają się na symulacjach komputerowych. „To bardzo obiecujące dla przyszłej pracy”.

Share