Labor erzielt Durchbruch: Erzeugung kosmischer Paarplasmen im Labor gelingt

BerlinWissenschaftler haben im Labor hochdichte Strahlen aus Elektronen und Positronen erzeugt, die denen im Weltraum ähneln. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Hochenergiephysik dar.

Forscher aus aller Welt, darunter das Labor für Laserenergie der Universität Rochester, veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications. Ihnen gelang ein Durchbruch, indem sie 100 bis 1.000 Mal mehr Paare produzierten als bisher möglich.

Hier sind die wichtigsten Punkte in Kürze:

• Beteiligte Institutionen umfassen die Universität Rochester, CERN und die Universität Oxford.
• Verwendete das HiRadMat-Facility am Super Proton Synchrotron (SPS) Beschleuniger von CERN.
• Erzeugte quasi-neutrale Elektron-Positron-Paarstrahlen.
• Jeder Proton trug kinetische Energie, die 440-mal größer war als seine Ruheenergie.

Schwarze Löcher und Neutronensterne sind die dichtesten Objekte im Universum. Um diese Objekte herum befinden sich Plasmen, eine spezielle Form von Materie. Besonders erwähnenswert sind Elektron-Positron-Paar-Plasmen, in denen sich Elektronen und Positronen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Solche Plasmen im Labor zu erzeugen, war bisher äußerst schwierig.

Charles Arrowsmith, ein Physiker von der Universität Oxford, wird im Herbst dem LLE beitreten. Er erläutert, dass die Erzeugung großer Mengen von Elektron-Positron-Paaren äußerst schwierig war und unser Wissen sich bisher auf theoretische Konzepte beschränkte. Das erfolgreiche Experiment hat nun neue Möglichkeiten für die Forschung in der Laborastrophysik eröffnet.

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Neue Erkenntnisse: Dynamik individueller und kollektiver Überzeugungen

Das Team nutzte mehr als 100 Milliarden Protonen aus dem SPS-Beschleuniger bei CERN. Diese Protonen besitzen genug Energie, um Atome zu spalten und Quarks und Gluonen freizusetzen, was zu einem Schauer führt, der sich in Elektronen und Positronen verwandelt. Bei einer solchen Teilchenmenge beginnt der Strahl, sich wie ein Weltraumplasma zu verhalten.

Dustin Froula und Daniel Haberberger vom LLE arbeiteten mit Arrowsmith zusammen, um ein Experiment zu entwickeln. Sie kooperierten mit Wissenschaftlern verschiedener Institutionen, darunter das Science and Technology Facilities Council Rutherford Appleton Laboratory, die University of Strathclyde und die Atomic Weapons Establishment in Großbritannien.

Diese Forschung könnte dazu beitragen, unser Verständnis davon zu verbessern, wie winzige Teilchen in Gammastrahlenausbrüchen oder Jets von Blazaren sich verhalten. Arrowsmith erklärt, dass Methoden entwickelt wurden, um die Ausbreitung von Teilchenstrahlen zu verändern. Dies ermöglicht es, Plasmainteraktionen kontrolliert zu untersuchen.

Gianluca Gregori von der Universität Oxford erklärt, dass Teleskope keine sehr kleinen Details von weit entfernten Weltraumobjekten erkennen können. Laborexperimente sollen überprüfen, ob die Prognosen der Computermodelle korrekt sind. Gregori betont auch, wie wichtig die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus verschiedenen Laboren weltweit ist.

Verschiedene Institutionen, darunter das Lawrence Livermore National Laboratory, das Max-Planck-Institut für Kernphysik, die Universität Island und das Instituto Superior Técnico in Portugal, arbeiten gemeinsam an einem Projekt, das die Plasmaforschung vorantreiben soll. Dabei werden sie sehr starke Laserstrahlen kollidieren lassen. Die Untersuchungen werden am NSF OPAL Facility durchgeführt.