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Uma equipe internacional de cientistas desenvolveu uma nova maneira de produzir experimentalmente “bolas de fogo” de plasma na Terra. Buracos negros e estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais densos conhecidos no universo. Dentro e ao redor desses ambientes astrofísicos extremos existem plasmas, o quarto estado fundamental da matéria ao lado de sólidos, líquidos e gases. Especificamente, os plasmas nessas condições extremas são conhecidos como plasmas relativísticos do par elétron-pósitron porque compreendem uma coleção de elétrons e pósitrons – todos voando ao redor quase à velocidade da luz. Embora tais plasmas sejam onipresentes em condições de espaço profundo, produzi-los em um ambiente de laboratório tem se mostrado desafiador.
Agora, pela primeira vez, uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores do Laboratório de Energética a Laser (LLE) da Universidade de Rochester, gerou experimentalmente feixes relativísticos de alta densidade de pares de elétrons-pósitrons, produzindo de duas a três ordens de magnitude a mais pares do que o relatado anteriormente. As descobertas da equipe aparecem na Nature Communications. A descoberta abre as portas para experimentos posteriores que podem produzir descobertas fundamentais sobre como o universo funciona. “A geração em laboratório de ‘bolas de fogo’ de plasma compostas de matéria, antimatéria e fótons é um objetivo de pesquisa na vanguarda da ciência de alta densidade energética”, diz o autor principal Charles Arrowsmith, físico da Universidade de Oxford que está se juntando ao LLE no outono.
“Mas a dificuldade experimental de produzir pares elétron-pósitron em números suficientemente altos limitou, até agora, nossa compreensão a estudos puramente teóricos.” Os pesquisadores de Rochester Dustin Froula, diretor da divisão de ciência e engenharia de plasma e laser ultrarrápido da LLE, e Daniel Haberberger, cientista da equipe da LLE, colaboraram com Arrowsmith e outros cientistas para projetar um novo experimento aproveitando a instalação HiRadMat no acelerador Super Proton Synchrotron (SPS) da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, Suíça. Esse experimento gerou rendimentos extremamente altos de feixes de pares de elétrons-pósitrons quase neutros usando mais de 100 bilhões de prótons do acelerador SPS. Cada próton carrega uma energia cinética que é 440 vezes maior do que sua energia de repouso.
Por causa desse momento tão grande, quando o próton esmaga um átomo, ele tem energia suficiente para liberar seus constituintes internos – quarks e glúons – que então se recombinam imediatamente para produzir uma chuva que, finalmente, decai em elétrons e pósitrons. Em outras palavras, o feixe que eles geraram no laboratório tinha partículas suficientes para começar a se comportar como um verdadeiro plasma astrofísico. “Isso abre uma fronteira inteiramente nova na astrofísica de laboratório, tornando possível sondar experimentalmente a microfísica de explosões de raios gama ou jatos blazar”. A equipe também desenvolveu técnicas para modificar a emitância de feixes de pares, tornando possível realizar estudos controlados de interações de plasma em análogos escalonados de sistemas astrofísicos.
“Telescópios de satélite e terrestres não são capazes de ver os mínimos detalhes desses objetos distantes e até agora só podíamos confiar em simulações numéricas. Nosso trabalho de laboratório nos permitirá testar essas previsões obtidas a partir de cálculos muito sofisticados e validar como bolas de fogo cósmicas são afetadas pelo tênue plasma interestelar”, diz o coautor Gianluca Gregori, professor de física da Universidade de Oxford. Além disso, acrescenta, “a conquista destaca a importância do intercâmbio e da colaboração entre instalações experimentais em todo o mundo, especialmente à medida que abrem novos caminhos no acesso a regimes físicos cada vez mais extremos”. As descobertas da equipe vêm em meio aos esforços contínuos para avançar a ciência do plasma colidindo lasers de ultra-alta intensidade, uma avenida de pesquisa que será explorada usando o NSF OPAL Facility.
