Международная команда во главе с исследователями из Университета Уорика и Оксфордского университета в настоящее время занимается неожиданными результатами эксперимента с сильно нагретым графитом (до 17 000 градусов по Кельвину). Выводы могут создать новую проблему для физиков, работающих в лазерном ядерном синтезе, а также могут заставить астрофизиков пересмотреть наше понимание жизненного цикла гигантских планет и звезд.
Исследователи пытались лучше понять, как распределяется энергия между различными видами материи, особенно, как она переносится из сильно нагретых электронов в тяжелые ионные ядра атомов, оставшихся холодными. Разница температур между горячими электронами и ионами кулера должна быстро выровняться по мере взаимодействия электронов с ионами; таким образом, время, необходимое для достижения общей температуры, является хорошей мерой силы взаимодействия между ними. Это взаимодействие также определяет, например, как тепло или излучение переносятся изнутри планеты или звезды на ее поверхность и, таким образом, планетарную и звездную эволюцию. Этот процесс также необходим для ядерного синтеза, когда электроны нагреваются продуктами слияния, но ионы должны быть горячими, чтобы происходило большее слияние.
Предыдущие эксперименты с использованием прямого лазерного нагрева были связаны с неопределенностью в подготовке мишеней и процессах нагрева, усложняющих наблюдения и анализ. Более того, теоретические модели изо всех сил пытались объяснить длительное время уравновешивания температуры, обнаруженное экспериментально. Команда, возглавляемая исследователями из Уорвика и Оксфорда, надеялась, что они смогут решить эту разницу, разработав гораздо более точный эксперимент. Вместо прямого нагрева лазером они использовали интенсивные протонные пучки, созданные по новой схеме ускорения с лазерным ускорением. Нагревание протонами приводит к значительно более определенным условиям, так как протоны нагревают только электроны, но и весь образец. В результате исследователи получили чистый образец с электронами при 17000 градусах Кельвина, в то время как ионы оставались при комнатной температуре 300 градусов Кельвина.
Однако исследователи обнаружили, что вместо устранения разрыва между моделью и наблюдаемыми результатами разница значительно увеличилась. Их более точный эксперимент фактически показывает, что уравновешивание температур для горячего электрона и холодных ионов фактически в три раза медленнее, чем показали предыдущие измерения, и более чем в десять раз медленнее, чем предсказывает математическая модель. Это означает, что основной процесс электрон-ионного взаимодействия недостаточно изучен. Поскольку тот же процесс также регулирует многие другие свойства материала, результаты имеют широкие последствия от обработки материалов до слияния инерциального конфайнмента с нашим пониманием астрофизических объектов. Этот интригующий результат становится еще более важным в сочетании с предыдущими показаниями для более жарких систем: все эти данные указывают на более общее недопонимание, когда исследователи моделируют электрон-ионные взаимодействия.
Доктор Дирк Герике из Университета Уорика сказал:
«Это интригующий результат, который потребует от нас снова взглянуть на модели физики плазмы, но он также будет иметь значительные последствия для исследователей, изучающих планеты и белые карликовые звезды. Мои коллеги по лазерному синтезу, которые зависят от своих лазеров, которые одновременно передают энергию одновременно и ионам, и электронам, тоже будут заинтересованы в наших выводах ».
Д-р Gianluca Gregori из Оксфордского университета сказал:
«Я думаю, что результаты возвращают теоретиков обратно на чертежную доску при моделировании взаимодействия частиц в плотной материи. Широкий диапазон последствий и огромный диапазон температур, где эти проблемы были найдены, делают результаты столь важными ».”