Читатели комиксов могут знать о гамма-лучах. Невероятный Халк из кроткого ученого превратился в дикого супергероя гамма-лучами ядерного взрыва. Настоящие гамма-лучи образуются в природе в результате радиоактивного распада атомного ядра. Помимо опасных материалов, вам придется искать в экзотических местах, например, возле черной дыры или ближе к дому, на молнии в верхних слоях атмосферы, чтобы найти природные силы, способные создавать гамма-лучи.
Ученые обнаружили, что гамма-лучи, как и Халк, тоже могут творить героические вещи — если их можно контролировать. В больницах теперь ликвидируют раковые опухоли с помощью «гамма-ножа» с хирургической точностью. Лучи также могут отображать мозговую деятельность. А гамма-лучи используются для быстрого сканирования грузовых контейнеров на предмет террористических материалов.
Но сделать гамма-лучи из нерадиоактивных материалов практически невозможно. Для этого сегодня нужен колоссальный сокрушитель атомов, как в ЦЕРНе или SLAC.
Еще никому не удавалось создать пучок гамма-лучей из лазеров. Но это возможно, говорят ученые из Техасского университета (UT) в Остине.По словам физика-исследователя Алекса Арефьева, который одновременно работает в Институте термоядерных исследований и в Центре высоких технологий, суперкомпьютеры, возможно, помогли открыть новый способ получения контролируемых пучков гамма-лучей из лазера, который помещается на столешницу. Наука о плотности энергии в UT Austin.
Арефьев является соавтором исследования «Усиленное излучение много-МэВ фотонов лазерным электронным пучком в самогенерируемом магнитном поле», опубликованном в мае 2016 года в журнале Physical Review Letters.«Одним из ключевых результатов, которые мы обнаружили, является то, что лазерный импульс может быть эффективно преобразован в пучок очень энергичных фотонов», — сказал Арефьев. «Они более чем в миллион раз более энергичны, чем фотоны в лазерном импульсе. До недавнего времени не существовало способа получения пучка таких энергичных фотонов. Таким образом, предлагаемый режим может быть новаторским для ряда приложений и также для фундаментальных научных исследований ".
Арефьев и его коллеги хотят запустить Техасский петаваттный лазер, один из самых мощных лазеров в мире. Они будут нацелены на кусок твердого пластика с просверленной крошечной камерой, заполненной пенопластом. Моделирование, проводимое на суперкомпьютерах Lonestar и Stampede в Техасском вычислительном центре (TACC), показывает, что лазер проходит через целевую камеру, не делая дыр, как солнечный свет через стеклянную панель. Попутно он возбуждает электроны пены.
Эта плазма частиц электронов высоких энергий затем испускает управляемый пучок сверхэнергетических фотонов — гамма-лучей.Руководитель исследования Дэвид Старк сказал: «Приятно работать в сотрудничестве с людьми в Texas Petawatt Laser», который также находится в UT Austin. «Это было одним из преимуществ проведения этого исследования — возможность сочетать физику плазмы с оптическими возможностями, которые есть только в подвале нашего здания». Старк тогда был аспирантом физического факультета в UT Austin, с тех пор защитил докторскую диссертацию и перешел на работу в Лос-Аламосскую национальную лабораторию.
По словам соавтора исследования Тома Тончиан, ученые обнаружили нечто большее, чем просто радиацию. «Короче говоря, мы обнаружили с помощью численного моделирования физический режим, при котором мы могли бы генерировать самые сильные магнитные поля, когда-либо созданные на Земле. Дополнительным преимуществом является то, что мы также будем генерировать один из самых интенсивных источников гамма-излучения». Тонсьен — заместитель директора Центра науки о высокой плотности энергии в UT Остине.
Сверхсильные магнитные поля, вызванные лазерным ударом, являются ключом к тому, что ученые называют «релятивистской прозрачностью» цели. Например, если вы направите свою обычную лазерную указку на доску, часть света будет отражаться, но в основном он поглощается поверхностью.
Электроны в материале следуют за колебаниями лазерного поля и замыкают его, поэтому оно не может распространяться внутри платы.«В нашем случае, — объяснил Тонциан, — электроны становятся все тяжелее и тяжелее, потому что мы ускоряем их очень близко к скорости света.
Они становятся неподвижными. Они больше не могут реагировать на высоко колеблющийся свет лазера. Внезапно лазер может распространяться внутри мишени, потому что электроны не могут закоротить лазерный луч ».Помимо теории относительности, масштабы эксперимента могут поражать воображение.
Они работают с одним из самых мощных в мире лазерных лучей, усиленных до петаватта — миллиарда миллионов ватт. Световой всплеск в несколько сотен раз превосходит мощность всех электростанций мира, вместе взятых.
Но это длится всего несколько сотен фемтосекунд — миллионная миллиардной доли секунды. Это примерно столько времени, сколько требуется, чтобы лазерный луч прошел через цель, толщина которой составляет всего 1/100 толщины человеческого волоса.«В этом временном масштабе мы должны быть в состоянии разрешить динамику», — сказал Старк. «Потому что именно так мы понимаем физику происходящего. Нам нужно было использовать в нашем кинетическом моделировании очень высокое разрешение как в пространстве, так и во времени».
Ученые снова и снова обращаются к компьютерному моделированию в тех случаях, когда им нужно знать, что происходит, когда тысячи, миллионы, миллиарды вещей происходят одновременно, и каждая вещь влияет на все остальное. Здесь они использовали разработанный в Великобритании код EPOCH «частица в ячейке», в котором частицы моделируются как «куски», которые описывают большую реальность динамики плазменной системы. При моделировании около трех миллиардов возбужденных электронов продвигаются вперед с бесконечно малыми шагами по времени.
«Для этого нам нужно было иметь возможность использовать много-много процессоров одновременно, чтобы развить систему за значимый промежуток времени и наблюдать за тем, что мы пытаемся найти. Это было одной из основных проблем», — сказал Старк. .«Вот почему мы обратились к TACC.
Мы начали с использования Lonestar 4. А теперь мы начали больше работать с Stampede. Мы используем как 2D, так и 3D моделирование.
Мы используем тысячи процессоров одновременно для всех этих симуляций и запускать их в течение большей части дня. Мы говорим о десятках тысяч, до 60 000 процессорных часов для одной симуляции, просто чтобы получить все данные. Таким образом, нам действительно нужно было использовать возможности здесь, в TACC, для того, чтобы чтобы достичь того, чего мы ищем, — сказал Старк.
Более того, когда частицы движутся через плазму, они генерируют частицы гамма-квантов. «Во время моделирования количество частиц резко увеличивается», — сказал Арефьев. «Требования к памяти также очень жесткие. Паническое бегство с дополнительными ресурсами памяти было очень полезным».
А когда вы закончите моделирование, у вас будет много данных. Даже для двухмерного вывода один снимок может иметь размер в сотни мегабайт.
Для 3D-вывода это могут быть десятки гигабайт. И тогда у вас есть десятки и десятки таких файлов ".По словам Арефьева, сотни тысяч вычислительных часов на Stampede и Lonestar потребовались не только для вычислений, но и для визуализации и последующей обработки данных лазерного эксперимента.
«Суперкомпьютер может работать в течение дня, но затем для постобработки данных и их сборки, чтобы определить, какой электрон излучает какой фотон, это тоже было довольно сложно. И после этого визуализация занимает много времени. были возможны без ресурсов, которые нам предоставил TACC », — сказал Арефьев.«Одно из главных преимуществ наличия Stampede в TACC, доступного для наших исследований, — это, конечно, то, что вы можете делать много продуктивных запусков», — сказал Тонциан. «Вы можете изменять параметры, которые раньше не могли бы сделать».Одна из дальнейших возможностей, открываемых передовыми вычислениями в этом лазерном исследовании, — это создание антивещества — зеркального врага обычной материи, которая составляет наше существование.
Когда вещество и антивещество встречаются, они аннигилируют и создают гамма-лучи. Команда Арефьева хочет повернуть вспять процесс.
«Потенциально, — сказал Арефьев, — у вас может быть гамма-коллайдер, который до недавнего времени казался даже невозможным в лаборатории на Земле, чтобы столкнуть два луча света и фактически произвести материю. Не просто пару частиц, а один их много ". Обильное создание антивещества ускользнуло от даже самых больших научных лабораторий мира, таких как ЦЕРН.
По данным журнала Symmetry, для производства одного грамма антивещества потребуется более миллиона миллиардов долларов.«В вакууме, созданном из-за света, будет значительное количество материи», — продолжил Арефьев. «Это потенциально может позволить людям изучать некоторые процессы, лежащие в основе многих явлений во Вселенной, в лаборатории».«Ученые обычно очень, очень любопытны», — сказал Тончиан. «Их движет любопытство.
В Европе существует лазерный консорциум, спонсируемый Европейским Союзом, который строит огромную лазерную установку. Эта огромная лазерная установка была бы как минимум в 10 раз больше, чем у нас здесь, в Техасе, в UT Austin, с точки зрения Техасского петаваттного лазера. Это 10 петаваттных лазеров. У них есть огромная и широкая научная база, позволяющая профинансировать многие из этих предполагаемых исследований ».
Тонциан сказал, что то, что они делают в Техасе с помощью своего лазера, может проложить путь для большей науки с предложенным лазером ЕС. «Я думаю, что наиболее важным результатом нашего исследования является то, что теперь мы действительно можем ускорить многие научные исследования, которые планировалось сделать в основном с помощью этого будущего лазера мощностью 10 петаватт», — сказал Тонциан.Но учёные Техаса не собираются просто ждать. Реальные тесты, основанные на моделировании, будут выполнены в 2016 году с помощью Техасского петаваттного лазера под руководством профессоров Мануэля Хегелиха и Тодда Дитмира из Центра науки о высокой плотности энергии в UT Остине. «Так что очень скоро (во время интервью) эксперимент впервые исследует режим интенсивности, который мы только что предсказали теоретически», — пояснил Арефьев. «Это будет очень интересное время для нас, чтобы увидеть, действительно ли эти эффекты будут замечены и измерены».Аревфьев пошутил, что не хочет становиться жертвой собственного успеха. «Я сказал ребятам сообщать мне, когда они будут делать свои пробежки.
Гамма-лучи настолько интенсивны и настолько энергичны, что им даже не нужно снимать алюминиевые фланцы, чтобы их обнаружить. Поэтому я хотел бы остаться дома, когда они Проведите эксперимент, на всякий случай все получится », — сказал Арефьев.Это исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США, Национальным управлением ядерной безопасности и Министерством энергетики США.
Ресурсы для высокопроизводительных вычислений были предоставлены TACC Техасского университета в Остине.