欧洲核子研究中心实验室再现物质/反物质黑洞喷流

欧洲核子研究中心实验室再现物质/反物质黑洞喷流 Fireball合作小组利用欧洲核子研究中心的HiRadMat设施产生了一种物质和反物质喷流的模拟，这种喷流从一些黑洞和中子星中喷涌而出。在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上，研究人员制造出了一束高密度电子-正电子等离子体束，模拟了来自黑洞的天体物理喷流，为研究太空现象提供了新的视角。这些实验有助于用真实世界的数据验证理论模型，为深入了解黑洞喷流等宇宙事件铺平道路。潜入一个活跃星系的中心，你会发现一个超大质量黑洞正在吞噬周围的物质。在大约十分之一的此类星系中，黑洞还会以接近光速的速度喷射出物质射流。这种相对论黑洞喷流被认为包含了电子对及其反物质等价物正电子的等离子体等成分。这种相对论电子-正电子等离子体被认为会影响黑洞及其环境的动力学和能量预算。但究竟是如何发生的，人们仍然知之甚少，因为既很难用天文观测来测量等离子体，也很难用计算机程序来模拟它。在最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一篇论文中，查尔斯-阿罗史密斯（Charles Arrowsmith）和火球合作项目的同事们报告了他们是如何利用欧洲核子研究中心（CERN）的 HiRadMat 设备产生一束电子-正电子等离子体相对论束，从而在实验室实验中对这种介质进行详细研究的。活动星系半人马座 A，等离子体喷流从其中央黑洞喷出。资料来源：ESO/WFI（光学），MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.（亚毫米波）、NASA/CXC/CfA/R.天体物理现象的实验室复制在不同类型的实验室配备的高功率激光设施可以通过多种方式产生电子-正电子对的相对论束。然而，现有的方法都无法产生维持等离子体所需的电子-正电子对数量，而等离子体是一种物质状态，其中各组成粒子之间的连接非常松散。如果不能维持等离子体，研究人员就无法研究这些黑洞喷流的类似物在穿过相当于星际介质的实验室时是如何变化的。这项研究是解释地面和太空望远镜观测结果的关键。阿罗史密斯及其同事在欧洲核子研究中心的 HiRadMat 设备上找到了满足这些要求的方法。他们的方法是从实验室的超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron）中在仅纳秒级的时间内提取出高达三千亿个质子，然后将它们发射到石墨和钽靶上，在此过程中，一连串的粒子相互作用产生了大量的电子-正电子对。 通过使用一套仪器测量产生的相对论电子-正电子束，并将结果与复杂的计算机模拟结果进行比较，阿罗史密斯及其合作者发现，电子-正电子束中的电子-正电子对数量超过十万亿对，是以前的十倍到百倍，首次超过了维持等离子体状态所需的数量。阿罗史密斯说："电子-正电子等离子体被认为在天体物理喷流中扮演着重要角色，但这些等离子体和喷流的计算机模拟从未在实验室中进行过测试。实验室实验是验证模拟的必要条件，因为看似合理的模拟计算简化有时会导致截然不同的结论"。该结果是火球合作项目在 HiRadMat 进行的一系列实验的第一个结果。"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如来自黑洞和中子星的喷流，"论文合著者、首席研究员吉安卢卡-格雷戈里（Gianluca Gregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似值。像这样的实验室实验是这两种方法之间的桥梁。"阿罗史密斯及其同事在 HiRadMat 等离子体实验中的下一个目标是让这些强大的射流在一米长的等离子体中传播，并观察它们之间的相互作用是如何产生磁场使射流中的粒子加速的这是高能天体物理学中最大的难题之一。"火球实验是 HiRadMat 最新增加的实验项目之一，"该设施的运营经理 Alice Goillot 说。"我们期待着利用欧洲核子研究中心加速器综合体的独特性能继续重现这些罕见的现象。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是等离子体？

科学简单点：什么是等离子体？ 在等离子体中，一些电子从中性原子（质子和电子数目相等，因此带中性电荷的原子）中分离出来，成为自由电子。由此产生的自由电子使等离子体不同于其他物质状态，在其他物质状态下，电子仍然紧紧地与原子核结合在一起。当等离子体中的原子与带负电荷的电子分离时，它们就不再带有中性电荷。相反，原子变成了离子带正电的粒子。因此，等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离状态。极光是由地球大气等离子体中的粒子碰撞形成的。资料来源：弗兰克-奥尔森原子中的电子能够分离并形成等离子体有几个原因。在实验室实验中，科学家可以用高压电、激光或电磁场轰击原子，从而形成等离子体。在太空中，高能光子（包括伽马射线）撞击原子也会形成等离子体。在太空中，当重力使压力剧增，从而使气体过热时，也会形成等离子体。高温使原子相互碰撞，导致电子从原子中分离，形成等离子体和恒星的雏形。气体过热产生等离子体的过程表明，气体和等离子体之间的关系类似于液体是固体的加热形式。这种类比并不总是正确的。首先，与气体不同，等离子体可以导电。此外，在气体中，所有粒子的行为方式都相似。然而，在等离子体中，电子和离子的行为和相互作用方式非常复杂，从而产生了波和不稳定性。等离子体有多种类型。宇宙中的大多数等离子体被研究人员称为高温等离子体。在这些高温等离子体中，温度可以超过华氏 1 万度，所有原子都可以完全电离。低温等离子体则不同。原子只是部分电离，温度低得惊人，甚至只有室温。另一种不寻常的等离子体是高能量密度等离子体，科学家在实验室中制造这种等离子体来研究它们的不寻常特性。总结：有一种闪电球状闪电是等离子体。从马克斯-普朗克研究所了解更多信息。极光也是由等离子体造成的。在本科学集锦中了解更多信息。封闭等离子体是设计聚变托卡马克和恒星器设备的重要步骤，这些设备最终可能为我们提供聚变动力。高能量密度等离子体科学实现了实验室条件下的聚变点火。研究等离子体有助于科学家了解物质。这也有助于他们向聚变能源的目标迈进。能源部（DOE）科学办公室通过聚变能源科学和核物理计划支持等离子体研究。能源部资助的等离子体研究还改进了从手机、电脑到汽车等各种产品中的半导体制造。等离子体方面的专业知识帮助能源部国家实验室的研究人员开发出了逐原子控制半导体制造的方法。编译来源：ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是 X 射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？科学简单点：什么是“关键材料” 美国政府定义了多少种？ ... PC版： 手机版：

《等离子体物理 》

《等离子体物理 》 简介：研究电离气体在高能状态下的行为与特性，涉及带电粒子间的电磁相互作用及集体运动规律。作为物质第四态，广泛存在于恒星、闪电、人造核聚变装置中，其控制技术对能源开发、航天推进、材料加工等领域具有革命性意义。 亮点：前沿领域聚焦可控核聚变实现清洁能源，星际等离子体研究推动深空探测发展，工业应用涵盖芯片刻蚀与废物处理。基础理论融合流体力学与电磁学，依赖超级计算机进行粒子动力学模拟。 标签：#物质第四态 #电磁流体力学 #核聚变能源 #深空等离子体 #工业应用科技 链接：https://pan.quark.cn/s/fba0df2c8014

了解快速离子碰撞：聚变反应堆中的离子和波的“芭蕾舞”

了解快速离子碰撞：聚变反应堆中的离子和波的“芭蕾舞” 核聚变实验中快速离子（黑色螺旋）与等离子体波（彩色）相互作用的示意图。资料来源：史蒂夫-艾伦（劳伦斯-利弗莫尔国家实验室），由迈克-范-泽兰（通用原子公司）改编在等离子体中，"冲浪者"可能是速度非常快的离子，它们可能出现在核聚变装置中，是核聚变反应或用于加热等离子体的其他过程的结果。这些快速离子的作用通常与海洋中的冲浪者相反它们为海浪提供能量，使海浪变大。当共振粒子与波浪交换能量时，它们也会通过随机碰撞受到等离子体中其他粒子的挤压。这些碰撞的类型和发生频率决定了波浪的大小和粒子的晃动程度。如果波浪过大或过多，就会把冲浪粒子踢出装置，对墙壁造成潜在危险，同时也会减少聚变能的产生量。聚变反应堆的挑战聚变反应堆中的等离子体必须不断加热，以保持产生能量所需的温度。然而，加热等离子体的快速离子也会与等离子体中的波产生共振。这会导致这些波的增长，并有可能将快速离子踢出装置。研究人员需要了解快速离子与等离子体波之间的共振相互作用，以预测和减轻任何不利影响。这项研究将数学计算与计算机模拟相结合，揭示了不同类型的碰撞如何通过竞争来决定共振粒子与等离子体波之间的能量传递方式。研究人员正在利用这一新的认识来制定如何保持等离子体足够热以维持核聚变反应的模型。共振波粒等离子体问题还与星系中的某些引力相互作用有关。这意味着该项目的方法可以应用于天体物理研究，包括暗物质研究。了解快速离子碰撞在核聚变实验中，快速离子通过与电子碰撞，将其能量传递给背景等离子体，从而使等离子体保持足够的热量进行核聚变。碰撞有两种不同类型：扩散散射和对流阻力。扩散碰撞与台球桌上的台球散射是同一类型。与此同时，当把手伸出行驶中的汽车窗外时，你会感觉到阻力碰撞。根据快离子的速度和等离子体的温度，每种碰撞都会对快离子的行为产生更大的影响。具体来说，快离子速度越大，阻力越大，而等离子体温度越高，扩散越有利。在快速离子通过碰撞加热背景等离子体的同时，它们也会与等离子体波发生共振作用，而等离子体波会消耗它们的能量，从而有可能冷却等离子体。在没有任何碰撞的情况下，只有当粒子的速度与波的速度完全匹配时，才会发生快离子与波之间的共振。科学家们早就知道，扩散碰撞的作用是"抹去"共振，即使粒子的速度比波的移动速度稍快或稍慢，它们也能有效地与波进行能量交换。这项研究的新发现是，当阻力存在时，这种碰撞会改变共振发生的速度，这意味着当快离子和等离子体波的速度相差很小时，能量交换实际上是最有效的。共振功能的作用在这项研究中，研究人员用一种名为共振函数的数学对象来描述波粒相互作用强度的特征，共振函数取决于波速和粒速之间的差值。当阻力碰撞比扩散碰撞发生得更频繁时，就会出现更奇特的现象在全新的速度下，有效的能量传递成为可能。这种现象实际上产生了新的共振，而在没有阻力的情况下，这种共振是根本不存在的，表现为共振函数中出现新的峰值，并扩大了共振相互作用的范围。完全从理论上推导出的共振函数决定了从共振快离子中获取自由能后波浪会变得有多大，也决定了这些粒子会如何被波浪踢来踢去。非线性计算机模拟结果与理论预测非常吻合，证实了推导出的共振函数对这两种碰撞的任何组合都是有效的，并加深了我们对碰撞如何影响等离子体中共振波与粒子相互作用的基本理解。基本理论得到验证后，现在可以放心地将其用于改进用于模拟快速离子在聚变装置中的行为的代码，这是开发商业聚变发电厂道路上的关键一步。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

紧凑型激光等离子加速器打破质子能量记录

紧凑型激光等离子加速器打破质子能量记录 HZDR 的一个研究小组采用一种创新方法，成功地通过激光脉冲大幅提高了质子的加速度。图片来源：HZDR / Blaurock紧凑型高能效加速器激光等离子体加速技术开辟了有趣的前景。与传统加速器相比，它有望提供更紧凑、更节能的设施因为新技术不是利用强大的无线电波来推动粒子运动，而是利用激光来加速粒子。其原理是用极短但高强度的激光脉冲照射薄如晶片的箔片。光线将材料加热到一定程度，使无数电子从材料中产生，而原子核则保持原位。由于电子带负电，而原子核带正电，因此它们之间会在短时间内形成一个强大的电场。该电场可将质子脉冲弹射到仅几微米的范围内，达到使用传统加速器技术需要更长距离才能达到的能量。然而，这项技术仍处于研究阶段：迄今为止，只有通过使用超大型激光系统才能实现高达 100 MeV 的质子能量，而世界上这样的激光系统屈指可数。为了利用较小的激光设备和较短的脉冲达到类似的加速器高能量，HZDR 的物理学家 Karl Zeil 和 Tim Ziegler 团队采用了一种新方法。他们利用了激光闪光的一个特性，而这一特性通常被视为缺陷。齐格勒报告说："一个脉冲的能量不会立即启动，这是最理想的情况。取而代之的是，一小部分激光能量冲到它的前面，就像一种先锋队。"突然透明在这一新概念中，起关键作用的正是这种冲向前方的光线。当它照射到真空室中专门制造的塑料薄膜上时，就会以特定的方式改变塑料薄膜。"箔片在光的作用下膨胀，温度越来越高，厚度越来越薄，"齐格勒解释道。"在加热过程中，箔片会有效地融化"。这对紧随其后的主脉冲产生了积极影响：原本会反射大部分光线的箔片突然变得透明，这使得主脉冲能够比以前的实验更深入地穿透材料。齐格勒说："结果是在材料中触发了复杂的级联加速机制，导致薄膜中的质子比我们的 DRACO 激光器加速得更快。用数字表示：该设备以前可以产生大约 80 兆电子伏的质子能量，而现在可以产生 150 兆电子伏，几乎翻了一番。"为了创下这一纪录，研究小组必须进行一系列实验，以接近完美的相互作用参数，例如所用薄膜的最佳厚度。在分析测量数据时，研究小组发现加速粒子束还有一个令人满意的特性：高能质子的能量分布很窄，也就是说，它们的速度几乎一样快这对以后的应用非常有利，因为高而均匀的质子能量对这些应用极为有利。优势：能源效率其中一项应用是研究新的放射生物学概念，以精确、温和地治疗肿瘤。使用这种方法，可以在很短的时间内使用很高剂量的辐射。在这些研究中，迄今为止主要使用的是大型传统治疗加速器，这种加速器只有德国的少数几个中心才有，而且当然要优先用于病人的治疗。现在，新的 HZDR 程序使紧凑型激光系统的使用变得更有可能，从而使更多的研究小组能够进行这些研究，并为传统系统无法提供的辐射场景提供便利。齐格勒说："此外，如今的设备需要大量的电力。基于激光等离子体加速，它们可以更加经济。"该程序还可用于高效生成中子。激光闪烁可用于产生短而强烈的中子脉冲，这在科学和技术以及材料分析中都很有意义。在这方面，等离子体加速器也有望大大扩展以前的应用领域。但首先，科学家们希望改进这种新方法并更好地理解它。除其他事项外，他们还希望与其他实验室合作，以便更精确地控制过程，并使这项技术更加普及。进一步刷新纪录也已提上日程：能量超过 200 MeV 似乎完全有可能。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响

研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响 正电子冷却。欧洲核子研究中心的 AEgIS 合作小组在实验中演示了使用基于变石的激光系统对正电子进行激光冷却。资料来源：欧洲核子研究中心-米兰理工大学研究人员成功冷却了正电子原子，对反物质研究产生了重大影响，并促成了量子电动力学的新实验和反物质玻色-爱因斯坦凝聚物的可能性。被正电子束击中的多孔靶（室温）中流出的 Ps 原子的等效温度从 380 K 降至 170 K，相应地，Ps 均方根速度的横向分量也从 54 km/s 降至 37 km/s。正电子的独特性质Ps 是氢的小兄弟，正电子取代了质子。因此，它比氢轻约 2000 倍，能级降低了 2 倍。它很不稳定：在真空和基态下，两个粒子的自旋平行，它的湮灭寿命只有 142 毫微秒。在其短暂的生命周期内，必须进行 Ps 冷却，这使得这一过程相对于普通原子而言极具挑战性。使用大带宽脉冲激光器的好处是可以冷却大部分正电子云，同时延长它们的有效寿命，从而在冷却后获得更多的 Ps 供进一步实验使用。对反物质研究的影响AEgIS 实验的目的是测量反氢气的重力加速度（作为反物质弱等价原理的测试），在该实验中，最后一个加速度是通过处于激发态的 Ps 与被困反质子之间的反应获得的。Ps的速度越低，形成反氢的概率就越高，因此必须尽可能产生动能最低的Ps。推进基础科学和潜在应用获得足够"冷"的 Ps 原子对基础科学至关重要，例如，对 Ps 激发能级进行精密光谱分析，可以前所未有的精度测试量子电动力学，或用纯轻子系统测试等效原理。此外，建立一个冷铂原子集合体的可能性可以为第一个反物质玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC，已通过激光冷却普通原子获得）铺平道路，在这种状态下，量子力学现象会宏观地显现出来。正电子玻色-爱因斯坦凝聚态将导致受激湮灭，这已被提议作为产生伽马射线能量范围内的相干电磁辐射的一种方法。该成果已作为编辑亮点发表在《物理评论快报》上。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：