Structure de champ dans une onde dipolaire. Crédit :E. Efimenko
Physiciens de l'Institut de physique appliquée de l'Académie des sciences de Russie, des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers et des informaticiens de l'Université Lobatchevsky ont développé un nouvel outil logiciel appelé PICADOR pour la modélisation numérique des plasmas laser sur des superordinateurs modernes.
Les travaux sur le système logiciel PICADOR ont commencé en 2010. PICADOR est une implémentation parallèle de la méthode des particules dans la cellule qui a été optimisée pour les systèmes de clusters hétérogènes modernes. Le projet a combiné les compétences et les efforts d'experts de nombreux domaines, devenant ainsi la base d'une optimisation réfléchie et du développement de nouvelles approches informatiques prenant en compte divers processus physiques. Finalement, cela a ouvert la voie à une percée dans les capacités de modélisation dans un certain nombre de projets de recherche. Les capacités fonctionnelles et les performances du système permettent d'effectuer des simulations numériques dans une gamme de problèmes à la pointe de la physique des plasmas laser modernes.
Dans leur article publié dans Rapports scientifiques , Les scientifiques de Nijni Novgorod ont formulé les conditions dans lesquelles la génération semblable à une avalanche d'électrons et de positons au foyer d'une impulsion laser de haute puissance produit un plasma électron-positon d'une densité record. L'étude permettra de comprendre les processus se produisant dans les objets astrophysiques et d'étudier les processus de production de particules élémentaires.
Image de gauche -- distribution de densité au début de l'interaction, image centrale -- plusieurs feuilles minces sont formées, image de droite -- la dernière étape de l'évolution, deux feuilles sont formées Crédit :E. Efimenko
Un fait bien connu en physique quantique est la possibilité de transformer certaines particules en d'autres particules. En particulier, dans un champ électrique ou magnétique suffisamment fort, un photon gamma peut se désintégrer en deux particules, un électron et un positon. Jusqu'à maintenant, cet effet a été observé dans des conditions de laboratoire principalement lorsque le rayonnement gamma a été transmis à travers des cristaux dans lesquels des champs suffisamment forts existent à proximité des noyaux atomiques. Les scientifiques cherchent un nouvel outil pour étudier ce phénomène :des lasers capables de générer des impulsions courtes d'une puissance de plus de 10 pétawatts. Ce niveau de puissance est atteint par une focalisation extrême du rayonnement. Par exemple, les scientifiques suggèrent d'utiliser une configuration de champ laser appelée focalisation dipolaire. Dans ce cas, le point focal est irradié de tous les côtés. Il a été montré théoriquement que des avalanches électron-positon peuvent être observées au foyer d'une telle installation laser. Les particules créées par la désintégration d'un photon gamma seront accélérées par un champ laser et émettront des photons gamma, qui à leur tour donneront naissance à de nouveaux électrons et positons. Par conséquent, le nombre de particules en peu de temps devrait augmenter énormément, donnant naissance à un plasma électron-positon superdense.
Cependant, il existe certaines limitations sur la densité du plasma qui peut être obtenu de cette manière. A un moment donné, le rayonnement laser ne pourra pas pénétrer le plasma devenu trop dense, et l'avalanche se calmera. Selon les estimations existantes, la concentration de particules dans le foyer laser sera d'un peu plus de 1024 particules par centimètre cube. En comparaison, approximativement la même concentration d'électrons se trouve dans les métaux lourds, par exemple, en platine ou en or.
Des faisceaux d'électrons et de positons ainsi que des photons gamma sont émis par le foyer le long de l'axe de symétrie. Crédit :E. Efimenko
Dans leur nouveau papier, une équipe d'auteurs dirigée par le professeur A.M. Sergueïev, Académicien de l'Académie des sciences de Russie, a montré que dans certaines conditions, ce nombre peut être supérieur d'un ordre de grandeur.
La simulation numérique à grande échelle du développement d'une avalanche électron-positon dans un champ laser étroitement focalisé démontre un objet d'investigation fondamentalement nouveau, les états quasi-stationnaires d'un plasma dense électron-positon. Ces états ont une structure très intéressante et inattendue. Alors que le champ laser sous forme d'onde dipolaire présente une symétrie axiale, la distribution du plasma électron-positon résultant du développement de l'instabilité du courant dégénère en deux couches minces orientées selon un angle aléatoire. L'épaisseur des couches et la concentration de particules dans ces couches ne sont apparemment limitées que par le caractère aléatoire du processus de rayonnement, ce qui conduit à des valeurs de densité de plasma extrêmes. Avec un nombre total de particules de l'ordre de 1011, la densité dépasse la valeur de 1026 particules par centimètre cube, et dans notre cas, elle n'était limitée que par la résolution de la simulation numérique.
