Физики зафиксировали самое экстремальное состояние материи

Американские физики впервые получили лазерную плазму с высокой плотностью энергии, подобную той, что присутствует в звездах и ядерных взрывах, и измерили ее параметры. Она оказалась в миллиард раз плотнее, чем плазма, питающая термоядерные реакции в токамаках. На сегодняшний день это самое экстремальное состояние материи, полученное на Земле. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Плазма составляет 99 процентов видимой Вселенной и состоит из свободно плавающих электронов и атомных ядер или ионов. Плазма с высокой плотностью энергии (HED) — это состояние материи в недрах звезд, где происходят реакции, подобные ядерным взрывам. В отличие от газообразной плазмы в токомаках — установках магнитного термоядерного синтеза — эта плазма настолько плотная, что по своим свойствам приближается к твердому телу.

"В HED-плазме все работает по-другому, — приводятся в пресс-релизе Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США слова первого автора статьи Брайана Крауса (Brian Kraus) из департамента астрофизических наук Принстонского университета. — Важно понять, как физика работает при таких высоких плотностях, но до сих пор эти параметры трудно было измерить".

Исследователи из Принстонской лаборатории вместе с коллегами из других лабораторий и университетов США разработали новый метод измерения параметры HED-плазмы. Сначала они генерировали плазму, воздействуя лазером сверхвысокой интенсивности на тонкие полоски титановой фольги, а затем, используя современные компьютеры, обработали спектральные данные высокого разрешения, которые рентгеновский анализатор захватил из плазмы, вспыхнувшей всего на триллионную долю секунды.

"Это позволило нам измерить как плотность плазмы, так и температуру ионов, чего раньше никогда не делали", — объясняет Краус.

Исследование выявило ключевые аспекты HED-плазмы, которые ранее не были известны. Например, анализ показал, что температуры ионов и электронов не эквивалентны, как предполагали, а ионы значительно холоднее.

"Отсюда мы сделали вывод, что электроны и ионы в такой плазме не находятся в равновесии. Подобная ситуация наблюдается в плазме вблизи плотности твердого тела впервые", — отмечает еще один участник исследования Филип Эфтимион (Philip Efthimion).

В настоящее время ученые настраивают новую камеру в Университете штата Колорадо, с помощью которой они хотят сфотографировать эволюцию лазерной HED-плазмы.

"На этот раз мы проводим эксперименты с новой камерой, которая может фиксировать время, — говорит Краус. — Очень сложно снять фильм о событии, которое происходит за триллионные доли секунды, поэтому необходимы эксперименты, чтобы настроить камеру и посмотреть, что мы можем узнать".

Также авторы разрабатывают программные коды, которые позволят создать цифровую модель HED-плазмы.