Die Fireball Collaboration hat die HiRadMat-Anlage des CERN genutzt, um ein Analogon der Materie- und Antimateriejets zu erzeugen, die aus einigen Schwarzen Löchern und Neutronensternen austreten.
Taucht man in das Zentrum einer aktiven Galaxie ein, findet man ein supermassives Schwarzes Loch, das Material aus seiner Umgebung verschlingt. In etwa einer von zehn solcher Galaxien emittiert das Schwarze Loch auch Materiejets mit annähernd Lichtgeschwindigkeit. Man vermutet, dass solche relativistischen Jets des Schwarzen Lochs unter anderem ein Plasma aus Elektronenpaaren und ihren Antimaterie-Äquivalenten (Positronen) enthalten.
Es wird angenommen, dass dieses relativistische Elektron-Positron-Plasma die Dynamik und den Energiehaushalt des Schwarzen Lochs und seiner Umgebung bestimmt. Wie genau dies geschieht, ist jedoch noch wenig bekannt, da es schwierig ist, das Plasma sowohl mit astronomischen Beobachtungen zu messen als auch mit Computerprogrammen zu simulieren.
In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie berichten Charles Arrowsmith und seine Kollegen von der Fireball Collaboration, wie sie mit Hilfe der HiRadMat-Anlage am CERN einen relativistischen Elektron-Positron-Plasmastrahl erzeugt haben, mit dem dieses Medium in Laborexperimenten detailliert untersucht werden kann.
Relativistische Strahlen aus Elektron-Positron-Paaren können in verschiedenen Laboren auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, darunter auch in Hochleistungslaseranlagen. Allerdings kann keines der bestehenden Verfahren die Anzahl an Elektron-Positron-Paaren erzeugen, die erforderlich wäre, um ein Plasma aufrechtzuerhalten – einen Materiezustand, in dem die Teilchen, aus denen es besteht, nur sehr lose miteinander verbunden sind. Ohne die Aufrechterhaltung des Plasmas können die Forscher nicht untersuchen, wie sich diese analogen Jets von Schwarzen Löchern verändern, während sie sich durch ein Laboräquivalent des interstellaren Mediums bewegen. Diese Untersuchung ist der Schlüssel zur Erklärung von Beobachtungen durch boden- und weltraumgestützte Teleskope.
Arrowsmith und Kollegen haben einen Weg gefunden, um diese Anforderungen in der HiRadMat-Anlage des CERN umzusetzen. Ihr Ansatz bestand darin, innerhalb einer Nanosekunde 300 Milliarden Protonen aus dem Super-Protonen-Synchrotron des Labors zu extrahieren und sie auf ein Ziel aus Graphit und Tantal zu schießen, wo eine Kaskade von Teilchenwechselwirkungen eine riesige Anzahl von Elektron-Positron-Paaren erzeugt.
Durch die Messung des entstehenden relativistischen Elektron-Positron-Strahls mit verschiedenen Instrumenten und den Vergleich der Ergebnisse mit ausgefeilten Computersimulationen konnten Arrowsmith und seine Mitarbeiter zeigen, dass die Anzahl der Elektron-Positron-Paare im Strahl (mehr als zehn Billionen) zehn- bis hundertmal größer ist als bisher erreicht und damit zum ersten Mal die zur Aufrechterhaltung des Plasmazustands erforderliche Anzahl übersteigt.
“Man geht davon aus, dass Elektron-Positron-Plasmen eine grundlegende Rolle bei astrophysikalischen Jets spielen, aber Computersimulationen dieser Plasmen und Jets wurden noch nie im Labor geprüft”, sagte Arrowsmith. “Laborexperimente sind notwendig, um die Simulationen zu validieren, da scheinbar vernünftige Vereinfachungen der Berechnungen in den Simulationen manchmal zu drastisch anderen Schlussfolgerungen führen können.”
Das Ergebnis ist das erste aus einer Reihe von Experimenten, die die Fireball Collaboration am HiRadMat durchführt.
“Die Grundidee dieser Experimente besteht darin, die Mikrophysik astrophysikalischer Phänomene wie Jets von Schwarzen Löchern und Neutronensternen im Labor zu reproduzieren”, sagte Gianluca Gregori, Mitautor der Studie und leitender Forscher. “Was wir über diese Phänomene wissen, stammt fast ausschließlich aus astronomischen Beobachtungen und Computersimulationen, aber Teleskope können die Mikrophysik nicht wirklich erforschen, und Simulationen beruhen auf Näherungen. Laborexperimente wie diese sind eine Brücke zwischen diesen beiden Ansätzen”.
Als Nächstes wollen Arrowsmith und seine Kollegen bei HiRadMat diese starken Jets durch ein meterlanges Plasma ausbreiten lassen und beobachten, wie die Wechselwirkung zwischen ihnen Magnetfelder erzeugt, die die Teilchen in den Jets beschleunigen – eines der größten Rätsel der Hochenergie-Astrophysik.
“Die Fireball-Experimente sind eine der neuesten Ergänzungen des HiRadMat-Portfolios”, sagte Alice Goillot, die Betriebsleiterin der Anlage. “Wir freuen uns darauf, diese seltenen Phänomene weiterhin zu reproduzieren und dabei die einzigartigen Eigenschaften des CERN-Beschleunigerkomplexes zu nutzen.”
(THK)
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