Comment le rayonnement se propage-t-il à travers un plasma dense ? Des preuves expérimentales uniques en leur genre défient les théories conventionnelles sur la façon dont les plasmas émettent ou absorbent le rayonnement. —


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  • La plupart des gens connaissent les solides, les liquides et les gaz comme trois états de la matière. Cependant, un quatrième état de la matière, appelé plasmas, est la forme de matière la plus abondante dans l’univers, trouvée dans tout notre système solaire dans le soleil et d’autres corps planétaires. Parce que le plasma dense – une soupe chaude d’atomes avec des électrons et des ions en mouvement libre – ne se forme généralement que sous des pressions et des températures extrêmes, les scientifiques s’efforcent toujours de comprendre les principes fondamentaux de cet état de la matière. Comprendre comment les atomes réagissent dans des conditions de pression extrême – un domaine connu sous le nom de physique à haute densité d’énergie (HEDP) – donne aux scientifiques des informations précieuses sur les domaines de la science planétaire, de l’astrophysique et de l’énergie de fusion.

    Une question importante dans le domaine de l’HEDP est de savoir comment les plasmas émettent ou absorbent le rayonnement. Les modèles actuels décrivant le transport du rayonnement dans les plasmas denses sont fortement basés sur la théorie plutôt que sur des preuves expérimentales.

    un nouvel article publié dans Communication Nature, des chercheurs du Laboratoire d’énergie laser (LLE) de l’Université de Rochester ont utilisé le laser OMEGA de LLE pour étudier la façon dont le rayonnement se propage à travers un plasma dense. La recherche, dirigée par Suxing Hu, scientifique distingué et chef de groupe du groupe de théorie de la physique à haute densité d’énergie au LLE et professeur agrégé de génie mécanique, et Philip Nilson, scientifique principal du groupe d’interaction laser-plasma du LLE , fournit des données expérimentales inédites sur le comportement des atomes dans des conditions extrêmes. Les données seront utilisées pour améliorer les modèles de plasma, qui permettent aux scientifiques de mieux comprendre l’évolution des étoiles et peuvent aider à la réalisation de la fusion nucléaire contrôlée comme source d’énergie alternative.

    « Les expériences utilisant des implosions par laser sur OMEGA ont créé une matière extrême à des pressions plusieurs milliards de fois supérieures à la pression atmosphérique à la surface de la Terre pour nous permettre de sonder le comportement des atomes et des molécules dans des conditions aussi extrêmes », a déclaré Hu. « Ces conditions correspondent aux conditions à l’intérieur de la soi-disant enveloppe des étoiles naines blanches ainsi que des cibles de fusion inertielle. »

    Utilisation de la spectroscopie à rayons X

    Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie à rayons X pour mesurer comment le rayonnement est transporté à travers les plasmas. La spectroscopie à rayons X consiste à diriger un faisceau de rayonnement sous forme de rayons X vers un plasma composé d’atomes – dans ce cas, des atomes de cuivre – sous une pression et une chaleur extrêmes. Les chercheurs ont utilisé le laser OMEGA à la fois pour créer le plasma et pour créer les rayons X dirigés vers le plasma.

    Lorsque le plasma est bombardé de rayons X, les électrons des atomes « sautent » d’un niveau d’énergie à un autre en émettant ou en absorbant des photons de lumière. Un détecteur mesure ces changements, révélant les processus physiques qui se produisent à l’intérieur du plasma, semblable à la prise d’un diagnostic radiographique d’un os cassé.

    Une rupture avec la théorie conventionnelle

    Les mesures expérimentales des chercheurs indiquent que, lorsque le rayonnement traverse un plasma dense, les changements des niveaux d’énergie atomique ne suivent pas les théories conventionnelles actuellement utilisées dans les modèles de physique des plasmas – les modèles dits « d’abaissement du continuum ». Les chercheurs ont plutôt découvert que les mesures qu’ils ont observées dans leurs expériences ne peuvent être expliquées qu’en utilisant une approche auto-cohérente basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La DFT propose une description mécanique quantique des liaisons entre atomes et molécules dans les systèmes complexes. La méthode DFT a été décrite pour la première fois dans les années 1960 et a fait l’objet du prix Nobel de chimie en 1998.

    « Ce travail révèle des étapes fondamentales pour réécrire les descriptions actuelles des manuels sur la façon dont la génération et le transport du rayonnement se produisent dans les plasmas denses », a déclaré Hu. « Selon nos expériences, l’utilisation d’une approche DFT auto-cohérente décrit plus précisément le transport du rayonnement dans un plasma dense. » Selon Nilson, « Notre approche pourrait fournir un moyen fiable de simuler la génération et le transport de rayonnement dans les plasmas denses rencontrés dans les étoiles et les cibles de fusion inertielle. Le schéma expérimental rapporté ici, basé sur une implosion par laser, peut être facilement étendu à une large gamme des matériaux, ouvrant la voie à des recherches approfondies sur la physique atomique extrême à des pressions énormes. »

    Des chercheurs de Prism Computational Sciences et des Sandia National Laboratories et d’autres chercheurs du LLE, dont les étudiants diplômés en physique David Bishel et Alex Chin, ont également contribué à ce projet.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Rochester. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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