Light My Fireball : rendu artistique d'un trou noir émettant un jet de gaz chaud appelé plasma. Une équipe internationale de scientifiques, comprenant des chercheurs de Rochester, a généré expérimentalement des « boules de feu » de plasma, ouvrant ainsi une nouvelle frontière en astrophysique de laboratoire. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Une équipe internationale de scientifiques a développé une nouvelle façon de produire expérimentalement plasma des « boules de feu » sur Terre.
Les chercheurs ont réussi à générer des plasmas électron-positon relativistes en laboratoire, simulant les conditions trouvées à proximité des trous noirs et des étoiles à neutrons. Ce travail révolutionnaire, impliquant des institutions comme l'Université de Rochester et CERNouvre de nouvelles voies pour étudier des phénomènes astrophysiques complexes.
Environnements astrophysiques extrêmes
Les trous noirs et les étoiles à neutrons comptent parmi les objets connus les plus denses de l’univers. Au sein et autour de ces environnements astrophysiques extrêmes existent des plasmas, le quatrième état fondamental de la matière aux côtés des solides, des liquides et des gaz. Plus précisément, les plasmas dans ces conditions extrêmes sont connus sous le nom de plasmas relativistes à paires électron-positon, car ils comprennent un ensemble d'électrons et de positrons, tous volant à une vitesse proche de celle de la lumière.
Percée dans la production de plasma en laboratoire
Bien que de tels plasmas soient omniprésents dans l’espace lointain, leur production en laboratoire s’est avérée un défi.
Aujourd'hui, pour la première fois, une équipe internationale de scientifiques, comprenant des chercheurs du Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester, a généré expérimentalement des faisceaux de plasma à paires d'électrons-positons relativistes à haute densité en produisant deux à trois ordres de grandeur. plus de paires que ce qui avait été signalé précédemment. Les conclusions de l'équipe apparaissent dans Communications naturelles.
Cette avancée ouvre la porte à des expériences de suivi qui pourraient donner lieu à des découvertes fondamentales sur le fonctionnement de l’univers.
Comment ça marche : Un proton (à l'extrême gauche) provenant de l'accélérateur du Super Synchrotron à Protons (SPS) du CERN heurte des noyaux de carbone (petites sphères grises). Cela produit une pluie de particules élémentaires diverses, dont un grand nombre de pions neutres (sphères oranges). À mesure que les pions neutres instables se désintègrent, ils émettent deux rayons gamma de haute énergie (flèches jaunes ondulées). Ces rayons gamma interagissent ensuite avec le champ électrique des noyaux de tantale (grandes sphères grises), générant des paires d'électrons et de positons et donnant naissance au nouveau plasma de boule de feu électron-positron. En raison de ces effets en cascade, un seul proton peut générer de nombreux électrons et positrons, ce qui rend ce processus de production de plasma par paires extrêmement efficace. Crédit : Illustration du Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester / Heather Palmer
Implications pour la science à haute densité énergétique
« La génération en laboratoire de « boules de feu » plasma composées de matière, d'antimatière et de photons est un objectif de recherche à l'avant-garde de la science des hautes densités d'énergie », déclare l'auteur principal Charles Arrowsmith, physicien du Université d'Oxford qui rejoint LLE à l'automne. « Mais la difficulté expérimentale de produire des paires électron-positron en nombre suffisamment élevé a, jusqu'à présent, limité notre compréhension à des études purement théoriques. »
Nouvelles techniques expérimentales
Les chercheurs de Rochester, Dustin Froula, directeur de division pour la science et l'ingénierie du plasma et des lasers ultrarapides au LLE, et Daniel Haberberger, chercheur au LLE, ont collaboré avec Arrowsmith et d'autres scientifiques pour concevoir une nouvelle expérience exploitant l'installation HiRadMat du Super Synchrotron à Protons ( SPS) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) à Genève, en Suisse.
Cette expérience a généré des rendements extrêmement élevés de faisceaux de paires électron-positon quasi neutres utilisant plus de 100 milliards de protons provenant de l’accélérateur SPS. Chaque proton transporte une énergie cinétique 440 fois supérieure à son énergie au repos. En raison d'un tel élan, lorsque le proton écrase un atomeil possède suffisamment d’énergie pour libérer ses constituants internes – quarks et gluons – qui se recombinent ensuite immédiatement pour produire une gerbe qui finit par se désintégrer en électrons et positrons.
Un proton (à l'extrême gauche) provenant de l'accélérateur Super Synchrotron à Protons (SPS) du CERN heurte des noyaux de carbone (petites sphères grises). Cela produit une pluie de particules élémentaires diverses, dont un grand nombre de pions neutres (sphères oranges). À mesure que les pions neutres instables se désintègrent, ils émettent deux rayons gamma de haute énergie (flèches jaunes ondulées). Ces rayons gamma interagissent ensuite avec le champ électrique des noyaux de tantale (grandes sphères grises), générant des paires d'électrons et de positons et donnant naissance au nouveau plasma de boule de feu électron-positron. En raison de ces effets en cascade, un seul proton peut générer de nombreux électrons et positrons, ce qui rend ce processus de production de plasma par paires extrêmement efficace. Crédit : Illustration du Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester / Heather Palmer
Génération en laboratoire de plasmas astrophysiques
En d’autres termes, le faisceau qu’ils ont généré en laboratoire contenait suffisamment de particules pour commencer à se comporter comme un véritable plasma astrophysique.
« Cela ouvre une toute nouvelle frontière dans l'astrophysique de laboratoire en permettant de sonder expérimentalement la microphysique des sursauts gamma ou des jets Blazar », explique Arrowsmith.
L’équipe a également développé des techniques pour modifier l’émittance de faisceaux de paires, permettant ainsi de réaliser des études contrôlées des interactions plasmatiques dans des analogues à l’échelle de systèmes astrophysiques.
Améliorer la compréhension des phénomènes cosmiques
« Les télescopes satellitaires et terrestres ne sont pas capables de voir les moindres détails de ces objets distants et jusqu'à présent, nous ne pouvions nous fier qu'à des simulations numériques. Nos travaux en laboratoire nous permettront de tester les prédictions obtenues à partir de calculs très sophistiqués et de valider la manière dont les boules de feu cosmiques sont affectées par le plasma interstellaire ténu », explique le co-auteur Gianluca Gregori, professeur de physique à l'Université d'Oxford.
De plus, ajoute-t-il, « cette réalisation met en évidence l’importance de l’échange et de la collaboration entre les installations expérimentales du monde entier, d’autant plus qu’elles innovent en accédant à des régimes physiques de plus en plus extrêmes. »
Les découvertes de l'équipe s'inscrivent dans le cadre des efforts continus visant à faire progresser la science du plasma en faisant entrer en collision des lasers à ultra haute intensité, une voie de recherche qui sera explorée à l'aide de l'installation NSF OPAL.
Outre le LLE, l'Université d'Oxford et le CERN, les institutions collaborant à cette recherche comprennent le Laboratoire Rutherford Appleton du Conseil des installations scientifiques et technologiques (STFC RAL), l'Université de Strathclyde, l'Atomic Weapons establishment au Royaume-Uni, le Laboratoire national Lawrence Livermore. , l'Institut Max Planck de physique nucléaire, l'Université d'Islande et l'Instituto Superior Técnico au Portugal.
Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d'innovation Horizon Europe de l'Union européenne dans le cadre de la convention de subvention n° 101057511 (EURO-LABS).
