Παλμός πρωτονίων δημιουργεί πυκνό πλάσμα

Από σελίδα του Phys.Review Letters, 19 Σεπτεμβρίου 2003

Το πυκνό πλάσμα είναι ένα υλικό τόσο κοινό στο σύμπαν αλλά που είναι πολύ δύσκολο να φτιαχτεί στη γήινη επιφάνεια. Συναντάται στο πυκνό εσωτερικό μέρος του Δία αλλά και βράζει βαθιά μέσα στον ήλιο. Μια ομάδα επιστημόνων δημοσίευσε στο περιοδικό PRL με ποιο τρόπο δημιούργησε μια σταγόνα θερμού πυκνού πλάσματος -- μια μορφή της ύλης πολύ διαφορετική από άλλους τύπους πλάσματος -- κτυπώντας με μια ακτίνα πρωτονίων ένα φύλλο αλουμινίου.

Η τεχνική αυτή μπορεί να επιτρέψει μετρήσεις, κάτι που προηγουμένως ήταν αδύνατο, και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ακριβέστερα μοντέλα των άστρων και του εσωτερικού των πλανητών.

Ο πυκνός ήλιος. Μερικά στρώματα του ήλιου μπορούν να περιέχουν θερμό πυκνό πλάσμα, μια μορφή της ύλης που έχει παραχθεί τώρα με έναν νέο τρόπο.

Ένα πλάσμα είναι ένα αέριο ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων ιόντων, που συναντάται στα διαστρικά νέφη αερίου ή μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα σύντηξης.

Το θερμό, πυκνό πλάσμα -- που μπορεί να βρίσκεται σε μερικά στρώματα του ήλιου, τους πυρήνες των μεγάλων πλανητών και ίσως στη Γη -- είναι πυκνότερο από το νερό και πολύ πυκνότερο από άλλους τύπους πλάσματος.

Παρά το όνομα "θερμό" μπορεί να είναι τόσο θερμό όσο οι πιο κοινοί τύποι πλάσματος. Σύμφωνα με τον Pravesh Patel του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, το θερμό πυκνό πλάσμα είναι μια μυστήρια φάση της ύλης. Μπορεί να έχει σύνθετες συμπεριφορές, αλλά χωρίς να υπάρχει στο εργαστήριο καμία αξιόλογη ποσότητα για να πειραματιστούμε, κανένας δεν ξέρει ποιες μπορεί να είναι αυτές οι συμπεριφορές. Τα λίγα θεωρητικά μοντέλα που υπάρχουν διαφέρουν κατά πολύ.

Οι ερευνητές έχουν φτιάξει θερμό πυκνό πλάσμα και στο παρελθόν χρησιμοποιώντας υπερσύντομους παλμούς λέιζερ για να θερμάνουν άμεσα μια στερεά επιφάνεια. Αλλά με αυτήν την τεχνική, η θερμοκρασία ποικίλλει εντυπωσιακά πάνω από την περιοχή του πλάσματος, και τα λέιζερ δεν μπορούν να διαπεράσουν την επιφάνεια περισσότερο από μερικές δεκάδες nanometers.

Οι ακτίνες σωματιδίων όμως μπορούν να θερμάνουν ένα αντικείμενο γρηγορότερα και πιο ομοιόμορφα από τα λέιζερ, αλλά ακόμη και οι μεγαλύτεροι επιταχυντές ιόντων δεν μπορούν να πάρουν υλικά στις θερμοκρασίες του πλάσματος αρκετά γρήγορα -- το δείγμα εκρήγνυται προτού να μπορέσει να εξεταστεί η θερμή, πυκνή κατάσταση.

Ο Patel όμως και οι συνάδελφοί του θέρμαναν ένα δείγμα με όσα περισσότερα πρωτόνια θα μπορούσε να δώσει ένας επιταχυντής, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που αναπτύχθηκε στο Livermore τα τελευταία χρόνια για άλλους σκοπούς. Ένας σύντομος, έντονος παλμός λέιζερ πέφτει σε έναν λεπτό στόχο φύλλου αργιλίου, το οποίο ελευθερώνει μια ομάδα πρωτονίων υψηλής ενέργεια από την πίσω επιφάνειά του. Τα πρωτόνια χτυπούν τον επόμενο στόχο -- ένα άλλο λεπτό κομμάτι αργιλίου -- και γίνεται έτσι χρήση τεράστιων ποσών ενέργειας μέσα σε picoseconds.

Ο δεύτερος στόχος θερμαίνεται σε δεκάδες χιλιάδες βαθμούς αλλά παραμένει προσωρινά πυκνός. Κατόπιν, για μερικά νανοδευτερόλεπτα προτού να εκραγεί, όταν το αργίλιο είναι σε μια θερμή πυκνή κατάσταση, η ομάδα μπορεί να μετρήσει την απορρόφηση του φωτός από το πλάσμα και τις οπτικές εκπομπές, οι οποίες αποκαλύπτουν τη θερμοκρασία αλλά και άλλες ιδιότητες.

Οι ερευνητές προγραμματίζουν επίσης να μετρήσουν την ταχύτητα του κύματος κλονισμού της έκρηξης για να πάρουν κι άλλα στοιχεία.

Σύμφωνα με τον Roger Falcone του Πανεπιστημίου Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, η τεχνική έχει καλή πιθανότητα για τη θέρμανση της στερεάς ύλης ώστε να μελετηθεί το πλάσμα, αλλά εάν είναι αληθινά καλύτερο από τις άλλες τεχνικές εξαρτάται από την ομοιομορφία του παραχθέντος πλάσματος.

Ο Steven Rose στο Aldermaston της Βρετανίας, από την άλλη, λέει ότι η τεχνική μπορεί να δημιουργήσει "ιδανικές συνθήκες για την εκτέλεση πειραμάτων για τις ιδιότητες των υλικών". Προσθέτει δε ότι με ένα καλύτερο λέιζερ, η τεχνική αυτή θα μπορούσε να θερμάνει υλικά σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από όσο είναι δυνατόν αυτήν την περίοδο, προτείνοντας ότι θα μπορούσε να παραχθεί στο μέλλον ακόμα καυτότερο πυκνό πλάσμα.