Supercomputer feuern Laser, um Gammastrahlen zu schießen

Megastructures 1.1: Dyson Spheres (Juni 2019).

Anonim

Schon mal als Kind mit einer Lupe spielen? Stellen Sie sich eine Linse vor, die so groß ist wie die Erde. Fokussiere das Sonnenlicht jetzt auf eine Bleistiftspitze. Das wäre immer noch nicht gut genug für das, was einige texanische Wissenschaftler im Sinn haben. Sie wollen das Licht sogar 500 Mal intensiver machen. Und sie sagen, es könnte die Tür zur stärksten Strahlung im Universum öffnen: Gammastrahlen.

Comic-Leser wissen vielleicht etwas über Gammastrahlen. Der Unglaubliche Hulk wurde durch Gammastrahlen von einer nuklearen Explosion von einem milden Wissenschaftler in einen wilden Superhelden verwandelt. Die echten Gammastrahlen entstehen in der Natur durch radioaktiven Zerfall des Atomkerns. Neben gefährlichen Materialien, müssen Sie in exotischen Orten wie in der Nähe eines schwarzen Loches oder näher zu Hause in der oberen Atmosphäre blitzen, um natürliche Kräfte zu finden, die Gammastrahlen erzeugen können.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Gammastrahlen, wie der Hulk, heroische Dinge auch tun können - wenn sie kontrolliert werden können. Krankenhäuser beseitigen jetzt Krebstumore mit einem "Gammastrahlenmesser" mit chirurgischer Präzision. Die Strahlen können auch Gehirnaktivität abbilden. Und Gammastrahlen werden verwendet, um Frachtcontainer schnell nach terroristischen Materialien zu durchsuchen.

Aber es ist nahezu unmöglich, Gammastrahlen mit nicht-radioaktiven Materialien herzustellen. Um das heute zu tun, braucht man einen kolossalen Atomschlag wie am CERN oder SLAC. Niemand war in der Lage, einen Gammastrahlen-Strahl von Lasern zu erzeugen. Aber es kann getan werden, sagen Wissenschaftler an der Universität von Texas (UT) in Austin.

Supercomputer könnten dazu beigetragen haben, einen neuen Weg zu finden, um kontrollierte Strahlen von Gammastrahlen von einem Laser zu erzeugen, der auf eine Tischplatte passt, so der Forschungsphysiker Alex Arefiev, der am Institut für Fusionsstudien und am Zentrum für Hochtechnologie einen Doppeltermin hat Energiedichte-Wissenschaft bei UT Austin. Arefiev ist Mitautor der Studie "Enhanced Multi-MeV Photonenemission durch einen lasergetriebenen Elektronenstrahl in einem selbst erzeugten Magnetfeld", veröffentlicht im Mai 2016 in der Zeitschrift Physical Review Letters.

"Eines der wichtigsten Ergebnisse, die wir gefunden haben, ist, dass ein Laserpuls effizient in einen Strahl sehr energiereicher Photonen umgewandelt werden kann", sagte Arefiev. "Sie sind mehr als eine Million Mal energiereicher als die Photonen im Laserpuls. Bis vor kurzem gab es kein Verfahren zur Erzeugung eines Strahls solcher energiereicher Photonen. Das vorgeschlagene Regime kann daher für eine Reihe von Anwendungen bahnbrechend sein auch für grundlagenwissenschaftliche Studien. "

Arefiev und Kollegen wollen den Texas Petawatt Laser, einen der leistungsstärksten Laser der Welt, anwerfen. Sie zielen auf ein Stück festen Kunststoff mit einer winzigen Kammer, die mit Kunststoffschaum gefüllt ist. Simulationen, die auf den Lonestar- und Stampede-Supercomputern des Texas Advanced Computing Center (TACC) durchgeführt wurden, zeigen, dass der Laser durch die Zielkammer geht, ohne ein Loch zu machen, wie Sonnenlicht durch eine Glasscheibe. Auf dem Weg dorthin regt es die Elektronen des Schaums an. Dieses Plasma aus hochenergetischen Elektronenteilchen setzt dann einen kontrollierten Strahl von hochenergetischen Photonen, den Gammastrahlen, frei.

Study Lead David Stark sagte: "Es ist aufregend, in der Zusammenarbeit mit Menschen im Texas Petawatt Laser arbeiten zu können", was auch im UT Austin der Fall ist. "Das war einer der Vorteile dieser Studie, die Plasmaphysik mit den optischen Fähigkeiten zu kombinieren, die sich nur im Keller unseres Gebäudes befinden." Stark war damals ein Doktorand der Physikabteilung am UT Austin und hat seitdem seine Doktorarbeit abgeschlossen und wechselte zu einem Termin im Los Alamos National Laboratory.

Die Wissenschaftler fanden mehr als nur Strahlung, sagte Studienkoautor Toma Toncian. "Kurz gesagt, wir haben mithilfe numerischer Simulationen ein physikalisches Regime entdeckt, bei dem wir die höchsten Magnetfelder erzeugen würden, die jemals auf der Erde erzeugt wurden. Ein Nebeneffekt ist, dass wir auch eine der intensivsten Gammastrahlenquellen erzeugen würden." Toncian ist der stellvertretende Direktor des Zentrums für High Energy Density Science am UT Austin.

Die ultrahohen Magnetfelder, die durch den Laserangriff induziert werden, sind der Schlüssel zu dem, was die Wissenschaftler als "relativistische Transparenz" des Ziels beschreiben. Zum Beispiel, wenn Sie Ihren normalen Laserpointer auf eine Tafel richten, wird etwas Licht reflektiert, aber hauptsächlich wird es an der Oberfläche absorbiert. Die Elektronen in dem Material folgen der Oszillation des Laserfeldes und schließen es kurz, so dass es sich nicht innerhalb der Platte ausbreiten kann.

"In unserem Fall", erklärte Toncian, "werden die Elektronen immer schwerer, weil wir sie sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Sie werden unbeweglich. Sie können nicht mehr auf das hohe oszillierende Licht des Lasers reagieren. Plötzlich der Laser kann sich innerhalb des Targets ausbreiten, da die Elektronen das Laserlicht nicht kurzschließen können. "

Neben der Relativitätstheorie können die Maßstäbe des Experiments den Geist verblüffen. Sie arbeiten mit dem stärksten Laserlicht der Welt, das auf ein Petawatt - eine Milliarde Millionen Watt - verstärkt wurde. Das Licht brennt um mehrere hundert Mal so stark wie die Kraft aller elektrischen Kraftwerke der Welt zusammen. Aber es dauert nur ein paar hundert Femtosekunden - ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Das dauert ungefähr so ​​lange, bis das Laserlicht das Ziel passiert, das nur 1/100 so dick ist wie ein menschliches Haar.

"Auf dieser Zeitskala müssen wir in der Lage sein, die Dynamik aufzulösen", sagte Stark. "Denn so verstehen wir die Physik dessen, was vor sich geht. Wir mussten in unserer kinetischen Simulation eine sehr hohe räumliche und zeitliche Auflösung nutzen."

Wissenschaftler haben sich immer wieder der Computersimulation zugewandt, wenn sie wissen müssen, was passiert, wenn Tausende, Millionen, Milliarden von Dingen gleichzeitig ablaufen und jedes Ding alles andere beeinflusst. Hier verwendeten sie den von Großbritannien entwickelten "Partikel-in-Zelle" -Code von EPOCH, in dem Partikel als "Brocken" modelliert werden, die die größere Realität der Dynamik des Plasmasystems beschreiben. Etwa drei Milliarden angeregte Elektronen wandern in der Simulation in infinitesimal kleinen Zeitschritten.

"Um das zu erreichen, mussten wir in der Lage sein, viele, viele Prozessoren gleichzeitig zu verwenden, um das System in einer sinnvollen Zeitspanne zu entwickeln, um zu beobachten, was wir zu finden versuchen. Das war eine der größten Herausforderungen", sagte Stark.

"Deshalb haben wir uns an TACC gewandt. Wir begannen mit der Verwendung von Lonestar 4. Und jetzt haben wir begonnen, mit Stampede mehr zu arbeiten. Wir verwenden sowohl 2D- als auch 3D-Simulationen. Wir verwenden Tausende von Prozessoren gleichzeitig für all diese Simulationen und Wir sprechen über Zehntausende, bis zu 60.000 Prozessorstunden für eine Simulation, nur um alle Daten zu erhalten, also mussten wir realistisch die Einrichtungen hier bei TACC nutzen um zu erreichen, wonach wir suchen ", sagte Stark.

Wenn sich die Partikel durch ihr Plasma bewegen, erzeugen sie außerdem die Gammastrahlungsphotonenpartikel. "Die Anzahl der Teilchen nimmt während der Simulationen dramatisch zu", sagte Arefiev. "Die Speicheranforderungen sind ebenfalls sehr streng. Stampede, mit den zusätzlichen Speicherressourcen, war sehr hilfreich." Und dann, wenn Sie mit der Simulation fertig sind, haben Sie eine Menge Daten. Selbst für eine 2-D-Ausgabe kann ein Snapshot mehrere hundert Megabyte umfassen. Das können zehn Gigabyte für eine 3D-Ausgabe sein. Und dann hast du Zehner und Zehner dieser Dateien. "

Hunderttausende Rechenstunden auf Stampede und Lonestar seien nicht nur für die Berechnung, sondern auch für die Visualisierung und Nachbearbeitung der Laser-Experimentdaten nötig, sagte Arefiev.

"Der Supercomputer kann einen Tag laufen, aber dann die Daten nachbearbeiten und zusammensetzen, um zu bestimmen, welches Elektron welches Photon emittiert hat, das war auch ziemlich anspruchsvoll. Und danach braucht die Visualisierung viel Zeit. Das würde nicht geschehen." sind ohne die Ressourcen möglich, die TACC uns zur Verfügung gestellt hat ", sagte Arefiev.

"Einer der großen Vorteile, Stampede bei TACC für unsere Forschung zur Verfügung zu haben, ist natürlich, dass Sie viele produktive Läufe machen können", sagte Toncian. "Sie können Parametervariationen durchführen, die Sie in der Vergangenheit nicht hätten tun können."

Eine der weiteren Möglichkeiten, die durch fortschrittliches Computing in dieser Laserforschung eröffnet werden, ist die Schaffung von Antimaterie - der Spiegelnemesis der gewöhnlichen Materie, die unsere Existenz hervorbringt. Wenn sich Materie und Antimaterie treffen, vernichten sie und erzeugen Gammastrahlen. Arefievs Team möchte den Prozess umkehren.

"Möglicherweise", sagte Arefiev, "könnte man einen Gammastrahlen-Collider haben, der bis vor kurzem in einem Labor auf der Erde noch nicht einmal durchführbar war, um zwei Lichtstrahlen zu kollidieren und tatsächlich Materie zu produzieren. Nicht nur ein paar Teilchen, sondern ein Viele von ihnen." Eine große Antimaterie-Schöpfung ist selbst den größten wissenschaftlichen Labors der Welt wie CERN nicht gelungen. Laut Symmetry-Magazin würde es über eine Million Milliarden Dollar kosten, ein Gramm Antimaterie herzustellen.

"In dem Vakuum, das aus dem Licht entsteht, wäre eine beträchtliche Menge Materie vorhanden", fuhr Arefiev fort. "Dies kann es den Menschen ermöglichen, einige der Prozesse zu untersuchen, die vielen Phänomenen im Universum im Labor zugrunde liegen."

"Wissenschaftler sind im Allgemeinen sehr, sehr neugierig", sagte Toncian. "Ihre Neugier treibt sie an. In Europa gibt es ein Laserkonsortium, das von der Europäischen Union gesponsert wird, um eine riesige Laseranlage zu bauen. Diese riesige Laseranlage wäre mindestens 10 mal größer als das, was wir hier in Texas am UT Austin haben vom Texas Petawatt Laser. Das sind 10 Petawatt-Laser. Sie haben einen riesigen und breiten wissenschaftlichen Fall, um eine Menge dieser geplanten Studien finanzieren zu können. "

Toncian sagte, dass das, was sie in Texas mit ihrem Laser machen, den Weg für größere Wissenschaft mit dem vorgeschlagenen EU-Laser ebnen könnte. "Ich denke, das wichtigste Ergebnis unserer Studie ist, dass wir jetzt tatsächlich einen Großteil der Wissenschaft, die eigentlich nur mit diesem zukünftigen 10-Petawatt-Laser geplant war, schnell verfolgen können", sagte Toncian.

Aber Texas Wissenschaftler werden nicht nur warten. Auf der Grundlage der Simulationen werden 2016 reale Versuche mit dem Texas Petawatt Laser unter der Leitung der Professoren Manuel Hegelich und Todd Ditmire vom Zentrum für Hochenergiedichteforschung am UT Austin durchgeführt. "So sehr bald (zum Zeitpunkt des Interviews) wird ein Experiment zum ersten Mal nach dem Intensitätsregime suchen, das wir bis jetzt vorausgesagt haben, theoretisch", erklärte Arefiev. "Es wird eine sehr interessante Zeit für uns sein zu sehen, ob diese Effekte wirklich gesehen und gemessen werden."

Arevfiev scherzte, dass er nicht Opfer seines eigenen Erfolges werden wollte. "Ich habe den Jungs gesagt, dass sie mich wissen lassen, wenn sie ihre Läufe machen. Die Gammastrahlen sind so intensiv und so energisch, dass sie nicht einmal die Aluminiumflansche entfernen müssen, um sie zu erkennen. Also würde ich gerne zu Hause bleiben." Mach das Experiment, nur für den Fall, dass alles funktioniert ", sagte Arefiev.

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