Doorbraak: wetenschappers genereren kosmisch paarplasma op aarde met high-energy experimenten

AmsterdamWetenschappers hebben in een laboratorium bundels met hoge dichtheid van elektronen en positronen gecreëerd, vergelijkbaar met die in de diepe ruimte. Dit is een belangrijke doorbraak in de hoge-energiewetenschap.

Onderzoekers van over de hele wereld, waaronder die van het Laser Energetics Laboratorium van de Universiteit van Rochester, hebben hun bevindingen gepubliceerd in Nature Communications. Ze boekten een doorbraak door 100 tot 1.000 keer meer paren te produceren dan voorheen mogelijk was.

Hier is een beknopte lijst van kernpunten:

• Deelnemende instellingen zijn onder andere de Universiteit van Rochester, CERN en de Universiteit van Oxford.
• Gebruik gemaakt van de HiRadMat-faciliteit bij de Super Proton Synchrotron (SPS) versneller van CERN.
• Geproduceerde quasi-neutrale elektron-positron stralen.
• Elke proton had een kinetische energie die 440 keer groter was dan zijn rustenergie.

Zwarte gaten en neutronensterren zijn de meest dichte objecten in het universum. Rondom deze objecten bevinden zich plasma’s, een vorm van materie. In het bijzonder zijn er elektron-positron paarplasma’s, waarin elektronen en positronen zich bijna met de lichtsnelheid voortbewegen. Het creëren van deze plasma’s in een laboratorium is tot nu toe moeilijk geweest.

Charles Arrowsmith, een natuurkundige van de Universiteit van Oxford, sluit zich dit najaar aan bij LLE. Hij legt uit dat het uiterst moeilijk was om grote aantallen elektron-positron paren te produceren, waardoor onze kennis beperkt bleef tot theoretische ideeën. Het geslaagde experiment opent nu nieuwe mogelijkheden voor onderzoek in de laboratoriumastrofysica.

Lees ook:

Vandaag · 15:23

Nieuw inzicht: dynamiek van persoonlijke en collectieve overtuigingen

Het team gebruikte meer dan 100 miljard protonen uit de SPS-versneller bij CERN. Deze protonen hebben genoeg energie om atomen te splijten en quarks en gluonen vrij te maken. Dit leidt tot een verontreiniging die zich omzet in elektronen en positronen. Door de enorme hoeveelheid deeltjes begint de bundel zich te gedragen als een plasma zoals het in de ruimte voorkomt.

Dustin Froula en Daniel Haberberger van het LLE werkten samen met Arrowsmith om een experiment te ontwikkelen. Ze werkten samen met wetenschappers van verschillende instellingen, waaronder de Science and Technology Facilities Council Rutherford Appleton Laboratory, de Universiteit van Strathclyde en de Atomic Weapons Establishment in het Verenigd Koninkrijk.

Dit onderzoek kan ons helpen te begrijpen hoe kleine deeltjes zich gedragen in gammagolven uitbarstingen of jets van blazars. Arrowsmith zegt dat ze methoden hebben ontwikkeld om de verspreiding van de deeltjesstralen te veranderen. Hierdoor kunnen ze plasma-interacties op een gecontroleerde manier bestuderen.

Gianluca Gregori van de Universiteit van Oxford zegt dat telescopen geen zeer kleine details van verre ruimteobjecten kunnen waarnemen. Laboratoriumexperimenten zullen beoordelen of de voorspellingen van de computermodellen kloppen. Gregori benadrukt ook het belang van samenwerking tussen wetenschappers uit verschillende laboratoria wereldwijd.

Andere instellingen die samenwerken zijn het Lawrence Livermore National Laboratory, het Max Planck Instituut voor Kernfysica, de Universiteit van IJsland en het Instituto Superior Técnico in Portugal. De resultaten van het team komen voort uit hun pogingen om de plasmakunde vooruit te helpen door zeer krachtige lasers te laten botsen. Dit zullen ze onderzoeken bij de NSF OPAL-faciliteit.