¿Alguna vez jugó con una lente de aumento cuando era niño? Imagine una lente tan grande como la Tierra. Ahora enfoque la luz del sol en la punta de un lápiz. Eso no sería lo suficientemente bueno para lo que algunos científicos de Texas tienen en mente. Quieren hacerluz incluso 500 veces más intensa. Y dicen que podría abrir la puerta a la radiación más poderosa del universo: los rayos gamma.
Los lectores de cómics pueden saber acerca de los rayos gamma. El Increíble Hulk fue transformado de científico suave en superhéroe salvaje por los rayos gamma de una explosión nuclear. Los rayos gamma reales se forman en la naturaleza a partir de la desintegración radiactiva del núcleo atómico. Además de los materiales peligrosos, ustedTendría que buscar en lugares exóticos, como cerca de un agujero negro o más cerca de casa, a los rayos en la atmósfera superior para encontrar fuerzas naturales capaces de producir rayos gamma.
Los científicos han descubierto que los rayos gamma, como Hulk, también pueden hacer cosas heroicas, si pueden controlarse. Los hospitales ahora erradican los tumores cancerosos con un 'cuchillo de rayos gamma' con precisión quirúrgica. Los rayos también pueden representar la actividad cerebral.Y los rayos gamma se utilizan para escanear rápidamente los contenedores de carga en busca de materiales terroristas.
Pero es casi imposible hacer rayos gamma con materiales no radiactivos. Para hacer eso hoy en día se necesita un colisionador de átomos colosal como CERN o SLAC. Nadie ha podido hacer un haz de rayos gamma a partir de láser. Pero puede serhecho, dicen los científicos de la Universidad de Texas UT en Austin.
Las supercomputadoras podrían haber ayudado a desbloquear una nueva forma de hacer haces controlados de rayos gamma a partir de un láser que cabe en una mesa, según el físico de investigación Alex Arefiev, quien tiene una cita doble en el Instituto de Estudios de Fusión y en el Centropara High Energy Density Science en UT Austin. Arefiev fue coautor del estudio, "Emisión mejorada de fotones multi-MeV por un haz de electrones impulsado por láser en un campo magnético autogenerado", publicado en mayo de 2016 en la revista Cartas de revisión física .
"Uno de los resultados clave que encontramos es que un pulso láser se puede convertir eficientemente en un haz de fotones muy energéticos", dijo Arefiev. "Son más de un millón de veces más energéticos que los fotones en el pulso láser".Hasta hace poco, no había un método para producir un haz de fotones tan energéticos. Por lo tanto, el régimen propuesto puede ser innovador para una serie de aplicaciones y también para estudios científicos fundamentales ".
Arefiev y sus colegas quieren encender el láser Petawatt de Texas, uno de los láseres más potentes del mundo. Apuntarán a un pedazo de plástico sólido con una pequeña cámara perforada que está llena de espuma plástica. Las simulaciones se ejecutan en el Lonestary las supercomputadoras Stampede del Texas Advanced Computing Center TACC muestran que el láser atraviesa la cámara objetivo sin hacer un agujero, como la luz solar a través de un panel de vidrio. En el camino, energiza los electrones de la espuma.las partículas de electrones de energía luego liberan un haz controlado de fotones ultra energizados, los rayos gamma.
El líder del estudio, David Stark, dijo: "Es emocionante poder trabajar en colaboración con personas del Texas Petawatt Laser", que también está en UT Austin. "Ese fue uno de los beneficios de hacer este estudio, poder combinarfísica de plasma con las capacidades ópticas que se encuentran en el sótano de nuestro edificio ". Stark era entonces un estudiante graduado del departamento de física en UT Austin, y desde entonces completó su doctorado y se trasladó a una cita en el Laboratorio Nacional de Los Alamos.
Los científicos encontraron más que solo radiación, dijo el coautor del estudio Toma Toncian. "En pocas palabras, hemos descubierto que usando simulaciones numéricas, un régimen físico en el que generaríamos los campos magnéticos más altos jamás generados en la Tierra. Un beneficio adicional esque también generaríamos una de las fuentes de rayos gamma más intensas ". Toncian es el subdirector del Centro para la Ciencia de la Densidad de Alta Energía en UT Austin.
Los campos magnéticos ultraaltos inducidos por el rayo láser son clave para lo que los científicos describen como "transparencia relativista" del objetivo. Por ejemplo, si apuntas el puntero láser normal a una pizarra, se refleja algo de luz, pero principalmente esabsorbido en la superficie. Los electrones en el material siguen la oscilación del campo láser y lo cortocircuitan para que no pueda propagarse dentro del tablero.
"En nuestro caso", explicó Toncian, "los electrones se están volviendo cada vez más pesados porque los estamos acelerando muy cerca de la velocidad de la luz. Se vuelven inmóviles. Ya no pueden responder a la alta luz oscilante del láser. De repente,el láser puede propagarse dentro del objetivo porque los electrones no pueden cortocircuitar la luz láser ".
Además de la relatividad, las escalas del experimento pueden aturdir la mente. Están trabajando con algunas de las luces láser más potentes del mundo, amplificadas a un petavatio: mil millones de vatios. La luz explota en varios cientos de vecesenergía de todas las plantas eléctricas del mundo combinadas. Pero solo dura unos pocos cientos de femtosegundos, una millonésima de una milmillonésima de segundo. Eso es aproximadamente el tiempo que tarda la luz láser en atravesar el objetivo, que es solo1/100 del grosor de un cabello humano.
"En esa escala de tiempo, necesitamos poder resolver la dinámica", dijo Stark. "Porque así es como entendemos la física de lo que está sucediendo. Necesitábamos usar en nuestra simulación cinética una resolución muy alta tanto en el espacio como en el tiempo"
Los científicos han recurrido una y otra vez a la simulación por computadora en los casos en que necesitan saber lo que sucede cuando hay miles, millones, miles de millones de cosas sucediendo simultáneamente, y cada cosa influye en todas las demás. Aquí usaron el EPOCH desarrollado en el Reino Unido 'código "partícula en celda", donde las partículas se modelan como "fragmentos" que describen la realidad más grande de la dinámica del sistema de plasma. Aproximadamente tres mil millones de electrones excitados avanzan en pasos de tiempo infinitamente pequeños en la simulación.
"Para hacer eso, necesitábamos poder usar muchos, muchos procesadores simultáneamente para evolucionar el sistema en un período de tiempo significativo para observar lo que estamos tratando de encontrar. Ese fue uno de los principales desafíos".Dijo Stark.
"Es por eso que recurrimos a TACC. Comenzamos usando Lonestar 4. Y ahora comenzamos a trabajar con Stampede más. Estamos usando simulaciones en 2D y 3D. Estamos usando miles de procesadores simultáneamente para todos estossimulaciones y ejecutarlas durante la mayor parte del día. Estamos hablando de decenas de miles, hasta 60,000 horas de procesador para una simulación, solo para obtener todos los datos. Entonces, realmente necesitábamos usar las instalaciones aquí en TACCpara lograr lo que estamos buscando ", dijo Stark.
Además, a medida que las partículas se mueven a través de su plasma, generan las partículas de fotones de rayos gamma. "El número de partículas aumenta dramáticamente durante las simulaciones", dijo Arefiev. "Los requisitos de memoria también son muy estrictos. Estampida, con el extralos recursos de memoria fueron muy útiles ". Y una vez que haya terminado con la simulación, tiene muchos datos. Incluso para una salida en 2-D, una instantánea puede ser cientos de megabytes. Eso puede ser decenas de gigabytes para un 3Dsalida. Y luego tienes decenas y decenas de esos archivos "
Se necesitaron cientos de miles de horas de computación en Stampede y Lonestar no solo para el cálculo sino también para la visualización y el procesamiento posterior de los datos del experimento con láser, dijo Arefiev.
"La supercomputadora puede funcionar durante un día, pero luego procesar los datos y ensamblarlos para determinar qué electrón emitió qué fotón, eso también fue bastante exigente. Y después de eso, la visualización lleva mucho tiempo. Estono hubiera sido posible sin los recursos que nos proporcionó TACC ", dijo Arefiev.
"Una de las grandes ventajas de tener Stampede en TACC disponible para nuestra investigación es, por supuesto, que puedes hacer muchas corridas productivas", dijo Toncian. "Puedes hacer variaciones de parámetros que no hubieras podido hacer".hacer en el pasado "
Una de las posibilidades adicionales que ofrece la informática avanzada en esta investigación con láser es la creación de antimateria, la némesis espejo de la materia ordinaria que hace nuestra existencia. Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan y crean rayos gamma. El equipo de Arefievquerer revertir el proceso
"Potencialmente", dijo Arefiev, "podría tener un colisionador de rayos gamma, que no parecía factible hasta hace poco, en un laboratorio en la Tierra, para colisionar dos haces de luz y realmente producir materia. No solo un par de partículas,pero muchos de ellos ". La abundante creación de antimateria ha eludido incluso a los laboratorios de ciencias más grandes del mundo como el CERN. Costaría más de mil millones de dólares hacer un gramo de antimateria, según la revista Symmetry.
"Habría una cantidad sustancial de materia en el vacío creado a partir de la luz", continuó Arefiev. "Esto puede permitir a las personas estudiar algunos de los procesos que están sustentando muchos fenómenos en el universo, en el laboratorio."
"Los científicos en general son muy, muy curiosos", dijo Toncian. "Su curiosidad los impulsa. En Europa, hay un consorcio de láser patrocinado por la Unión Europea para construir una gran instalación de láser. Esta enorme instalación de láser sería de al menos 10veces más grande que lo que tenemos aquí en Texas en UT Austin, en términos del láser Petawatt de Texas. Estos son 10 láseres de petawatt. Tienen un gran y amplio caso científico para poder financiar muchos de estos estudios previstos ".
Toncian dijo que lo que están haciendo en Texas con su láser podría allanar el camino para una ciencia más grande con el láser propuesto de la UE. "Creo que el resultado más importante de nuestro estudio es que ahora podemos acelerar rápidamente muchas de lasciencia que se planeó hacer básicamente solo con este futuro láser de 10 petavatios ", dijo Toncian.
Pero los científicos de Texas no solo van a esperar. Las pruebas reales basadas en las simulaciones se realizarán en 2016 con el láser Petawatt de Texas dirigido por los profesores Manuel Hegelich y Todd Ditmire del Centro de Ciencias de la Densidad de Alta Energía en UT Austin."Muy pronto en el momento de la entrevista, un experimento investigará por primera vez el régimen de intensidad que acabamos de predecir hasta ahora, en teoría", explicó Arefiev. "Será un momento muy interesante para ver siestos efectos realmente se verán y medirán "
Arevfiev bromeó diciendo que no quería ser víctima de su propio éxito. "Les dije a los muchachos que me avisasen cuando corren. Los rayos gamma son tan intensos y tan enérgicos que ni siquiera necesitanquitar las bridas de aluminio para detectarlas. Así que me gustaría quedarme en casa cuando hagan el experimento, en caso de que todo funcione ", dijo Arefiev.
Esta investigación fue apoyada por fondos de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y el Departamento de Energía de los EE. UU. Los recursos de HPC fueron proporcionados por TACC en la Universidad de Texas en Austin.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Jorge Salazar. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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