Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 25 – vyšlo 27. července, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

25/2018

Nanopulzar nebo urychlovač?

Leonard a Rudolf Mentzlovi

Urychlovače elementárních částic se staly již před koncem minulého tisíciletí pojmem zbaveným přídechu tajemna. Nalezneme je nejen v laboratořích fyziků, v medicínských přístrojích, ale ještě nedávno byly i v tak všedních zařízeních, jako jsou dnes již téměř vymizelé CRT obrazovky. Kolik aplikací, tolik rozličných inženýrských přístupů, ale jedno mají všechny společné. Elektricky nabité částice jsou urychlovány proměnným elektromagnetickým polem. Masakatsu Murakami z Osacké univerzity se svým týmem přišel s principiálně novým řešením využívajícím krátké energetické laserovéLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. pulzy. Pokus je zatím ve stádiu návrhu, ale Murakamiho detailní simulace nenechávají mnoho prostoru k pochybnostem. Předpokládá se, že protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. urychlené tímto způsobem pokoří hranici 100 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K..

Murakama využívá laserové pulzy k implozím materiálu. Tato technologie není pro dnešní techniku problém, je laděna již od osmdesátých let v naději, že se s její pomocí podaří zažehnout termojadernou fúziTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium.. Při laserem vyvolané implozi dosahuje materiál v místě stlačení hustot známých z bílých trpaslíkůBílý trpaslík – jedna z možných závěrečných fází vývoje hvězd. Hvězda, ve které degenerovaný elektronový plyn vyvíjí gradient tlaku (způsobený Pauliho vylučovacím principem), který odolává gravitaci. Poloměr je 1 000 km až 30 000 km, hustota řádově 10³ kg cm^-3, maximální hmotnost 1,4 M_S. Hmotnější bílí trpaslíci jsou nestabilní, explodují jako supernovy typu Ia. Tuto tzv. Chandrasekharovu mez odvodil Subrahmanyan Chandrasekhar v roce 1930. Objev prvního bílého trpaslíka: Již v roce 1834 Fridrich Bessel předpověděl průvodce Síria A z newtonovské teorie na základě vlnovkovité trajektorie hvězdy Sírius. Tento průvodce (Sírius B) byl objeven v optické dílně bratří Clarků roku 1862 (Alvan Clark – test objektivu průměru 45 cm). Sírius B je prvním známým bílým trpaslíkem. Byla na něm demonstrována správnost newtonovské teorie (vlnovkovitá trajektorie Síria A) i potvrzena OTR (červený posuv). Sírius B je enormně malý a hustý bílý trpaslík s průměrem 11 736 km, ρ = 3×10³ kg cm⁻³. Povrchová teplota je 24 800 K, vzdálenost 8,6 l.y. a hmotnost 1,03 M_S., tedy řádově desítky až stovky kilogramů na kubický centimetr. Po implozi následuje prudké rozpínání a emise významně urychlených protonů. Tento děj může probíhat periodicky. Komprimovaný a uvolňovaný materiál periodicky vyzařuje urychlené protony, což autorům studie připomíná pulzarPulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe.. Pro své malé rozměry (řádově desetiny až desítky mikrometrů) mluví o nanopulzarech.

PIC simulace nanopulzaru. Zdroj: M. Murakami, Osacká univerzita.

PIC – Particle In Cell, numerický kód, který se využívá při simulacích plazmatu. Pohyby nabitých částic se řeší diferenčními schématy odvozenými z Lorentzovy pohybové rovnice. Elektromagnetická pole částic se počítají na 2D nebo 3D mříži z Maxwellových rovnic. Simulace tedy nepoužívají klasickou párovou interakci, čímž je možné náročnost výpočtu snížit z N2 na N*log(N). Nanopulzar – mikrobublina v pevném materiálu, která po zasažení energetickým laserovým paprskem imploduje a vyzáří urychlené protony. Při periodickém bombardování laserovými pulsy opakovaně emituje korpuskulární záření. Zatím (polovina roku 2018) je tento jev potvrzen pouze simulacemi. Pulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe.

Konkrétní realizace

Murakamův tým předpokládá pevný materiál, pokud možno bohatý na vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.. Materiál by neměl být úplně homogenní, měl by obsahovat mikroskopické bubliny s charakteristickým rozměrem v rozpětí 0,1÷10 μm. Tyto mikrobubliny budou bombardovány laserovými pulzy s vysokou energetickou hustotou. Je třeba, aby femtosekundovýFemto – předpona označující 10⁻¹⁵. pulz dosáhl v místě zásahu intenzity 10²⁰÷10²² W cm⁻². Atomy na povrchu mikrobubliny nevydrží tento náraz bez újmy, okamžitě následuje ionizace a utržené elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. během (řádově) femtosekundy vyplní její vnitřek. Hustota elektronů dosahuje v tomto místě 10²² částic na kubický centimetr, teplota se pohybuje v rozmezí 10÷100 MeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K..

Imploze mikrobubliny. a) Laserový pulz okamžitě ionizuje atomy mimo mikrobublinu a utrženými elektrony naplní její vnitřek. b) Fáze vlastní imploze. Ionty na povrchu mikrobubliny začínají urychlovat směrem ke středu. Sféricky symetrickou implozi zastaví teprve rostoucí odpudivá síla komprimovaných iontů. c) Umělecká vize děje sjednocující fázi zásahu laserovým pulzem, implozi mikrobubliny i finální emisi protonů. Zdroj: Nature, ISSN 2045-2322.

V tuto chvíli započne vlastní imploze. Vzniklé kladné ionty na povrchu mikrobubliny jsou coulombovsky přitahovány k elektronům natlačeným do malého objemu. Okamžitě se dají do radiálního pohybu a zastaví se teprve, když je k tomu donutí rostoucí, ven směřující, elektrické pole. To se ustaví ve chvíli, kdy zabírají objem o charakteristickém rozměru v řádu nanometrů. Kolaps mikrobubliny je dokončen. Zajímavé na tomto krátce žijícím útvaru je profil jeho elektrického pole. Komprimované ionty vytváří velice strmý coulombovský svah schopný urychlit protony na relativistické rychlosti. Většina protonů zůstává na místě, ale menší část převezme jejich energii, což se projeví právě na jejich rychlosti. Mikrobublina se na krátký okamžik stane zdrojem vysoce urychlených iontů, většinou přímo protonů. Poté, co se prostředí ustálí, přichází další femtosekundový laserový impulz, mikrobublina opět imploduje, následuje další emise a tak stále dokola. Ačkoli zde jde o zcela odlišný princip, vzdálená podoba s pulzaremPulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe. je neoddiskutovatelná a dá se očekávat, že označení nanopulzarNanopulzar – mikrobublina v pevném materiálu, která po zasažení energetickým laserovým paprskem imploduje a vyzáří urychlené protony. Při periodickém bombardování laserovými pulsy opakovaně emituje korpuskulární záření. Zatím (polovina roku 2018) je tento jev potvrzen pouze simulacemi. už jevu zůstane.

Vývoj nanopulzaru (simulace). 1) Čas 0 – zásah mikrobubliny laserovým pulzem. 2) Mikrobublina se vyplní elektrony; na jejím povrchu vzniká vrstva ionizovaných atomů. 3) Imploze mikrobubliny. 4) Záblesk urychlených iontů. 5) Dosvit. 6) Relaxace. 7–10) Další cyklus. Graf b) zobrazuje časový vývoj energie emitovaných protonů; barevná škála vyjadřuje počet protonů odpovídající dané energii. Zdroj: Nature, ISSN 2045-2322.

Simulace

Jediné, co kalí radost z objevu je fakt, že laserový urychlovač dosud nikdo nepostavil. Pojďme si alespoň přiblížit simulace, které Murakamův tým plní takovým optimismem. K podobným účelům se využívá metoda PICPIC – Particle In Cell, numerický kód, který se využívá při simulacích plazmatu. Pohyby nabitých částic se řeší diferenčními schématy odvozenými z Lorentzovy pohybové rovnice. Elektromagnetická pole částic se počítají na 2D nebo 3D mříži z Maxwellových rovnic. Simulace tedy nepoužívají klasickou párovou interakci, čímž je možné náročnost výpočtu snížit z N² na N*log(N). (particle-in-cell), která simuluje pohyb částic v ideálním zprůměrovaném poli. Jde o oblíbený postup simulačních technikPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů. urychlující výpočty v souboru s velkým počtem elementů. Samozřejmě je to na úkor přesnosti, a kdybychom tímto způsobem simulovali i pokus s nanopulzary s obrovskou koncentrací částic v malém objemu, odchýlily by se výsledky od reality až za rozumnou mez. Proto byla metoda PIC použita jen pro simulaci v objemu ve vzdálenosti r > 0.02 R₀ (R₀ je poloměr mikrobubliny). Pro vnitřnější oblasti byl pohyb iontů simulován molekulární dynamikou (MD). Tato metoda je sice zdlouhavá a klade vysoké nároky na výpočetní prostředky, zato však dává přesné a detailní výsledky.

Třírozměrná simulace vývoje nanopulzaru počítaná metodou molekulární dynamiky. Jednotlivé barvy odpovídají různým časům ve vývoji bubliny. Napravo od každého prostorového výřezu jsou v příslušné barvě uvedeny čas a poloměr mikrobubliny. Rozměr mikrobubliny R₀ = 1 μm. Počet pseudočástic v simulaci N = 10³. Zdroj: Nature, ISSN 2045-2322.

A co dál?

Přes veškerá ujištění, která mohou nabídnout simulační technikyPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů., nemůžeme mluvit o novém vynálezu, dokud nebude fyzicky postaven a úspěšně odzkoušen prototyp. Je třeba si uvědomit, že i pokud vše dopadne dobře, nebudeme mít k dispozici přístroj, který by snad mohl konkurovat obřím urychlovačům, jaké najdeme třeba v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.. Zato by to mohla být dostupnější náhrada urychlovačů, které jsou součástí různých diagnostických přístrojů. Počítá se s nasazením v lékařství pro radioterapii nádorů, v radiografii látek s vysokou hustotou, mohly by fungovat jako injekční předstupeň konvenčních urychlovačů, očekává se, že svou roli sehrají také v pokusech o termojadernou fúziTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium.. Zájem projevili fyzici zabývající se vysokými energetickými hustotami a pochopitelně také astrofyzici.

Odkazy