Boffins piège du plasma ultra-froid dans une bouteille, un mouvement qui peut percer les secrets d’étoiles exotiques

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  • Vidéo Les physiciens ont piégé pour la première fois un fragment du plasma le plus froid du monde dans une «bouteille» magnétique, faisant les premiers pas vers la construction de simulations de plus en plus réalistes de l’intérieur des étoiles.

    Le plasma, également connu sous le nom de quatrième état de la matière, se forme normalement dans des environnements extrêmement chauds, où la chaleur arrache les électrons extérieurs des atomes, laissant derrière eux une mer turbulente de particules chargées.

    Des champs magnétiques puissants sont utilisés pour piéger le plasma super chaud, bien que cela nécessite beaucoup d’énergie pour confiner la matière suffisamment longtemps pour en faire quelque chose d’intéressant, comme sonder ses propriétés ou générer de l’électricité à partir de la fusion. Au lieu d’étudier le plasma super chaud, les chercheurs de l’Université Rice se sont tournés vers des températures beaucoup plus froides pour générer un plasma plus facile à gérer.

    Le plasma chaud nécessite des champs magnétiques très puissants pour surmonter les grandes énergies cinétiques des particules, a expliqué Grant Gorman, un étudiant diplômé de l’Université Rice de l’Amérique travaillant sur le projet. Le registre.

    “L’un des problèmes majeurs est de maintenir le champ magnétique stable assez longtemps pour contenir la réaction”, a-t-il déclaré. “Les plasmas froids, en revanche, se déplacent plus lentement, réduisant le flux de masse et d’énergie. Confiner ces plasmas nécessite des champs magnétiques modestes qu’il est facile de produire en laboratoire en faisant circuler le courant à travers le fil. »

    Tout d’abord, un flux d’atomes de strontium est refroidi à -272 degrés Celsius – juste au-dessus du zéro absolu – puis ionisé à l’aide de lasers. Ensuite, ils sont piégés dans un champ magnétique généré par le courant circulant dans deux ensembles de bobines. La quantité de plasma créée est infime et se dissipe en une milliseconde, comme expliqué dans la vidéo ci-dessous.

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    Cela peut ne pas sembler très long, mais sans le confinement magnétique, les particules du plasma ont tendance à s’écarter les unes des autres et ne durent que des dizaines de microsecondes.

    «C’est vraiment utile d’avoir le plasma si froid et d’avoir ces systèmes de laboratoire très propres», a déclaré Tom Killian, co-auteur de l’étude publiée dans la revue Physical Review Letters (voici une pré-impression gratuite) et professeur de physique et d’astronomie à l’Université Rice. «Commencer par un système simple, petit, bien contrôlé et bien compris vous permet d’éliminer une partie de l’encombrement et d’isoler vraiment le phénomène que vous voulez voir.»

    La force du champ magnétique dans les bobines était d’environ 100 Gauss, environ dix fois plus fort qu’un aimant de réfrigérateur typique, a ajouté Gorman.

    Photo intérieure du JET UKAEA

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    L’équipe estime que la génération de ces nuages ​​magnétisés de plasma froid aidera les scientifiques à mieux comprendre les processus physiques difficiles à modéliser par ordinateur. Par exemple, les expériences de plasma froid peuvent simuler des environnements d’étoiles naines blanches ou d’étoiles à neutrons.

    Gorman a déclaré que le plasma froid peut simuler le fonctionnement interne des étoiles même si elles sont beaucoup plus froides et plus petites que les objets astrophysiques si elles partagent certaines de leurs propriétés. “Une propriété est que les plasmas sont fortement couplés”, dit-il. “Si vous prenez l’énergie d’interaction et les forces entre les particules voisines, si elles sont plus grandes par rapport à leur énergie cinétique moyenne, alors le plasma est dit fortement couplé. Cela conduit à des phénomènes très intéressants, et les systèmes partageront des propriétés de transport similaires. »

    L’équipe a cartographié le mouvement de leur plasma froid de strontium en prenant des photos des ions individuels. Les particules sont zappées avec un faisceau laser et brillent sous la lumière, les fréquences émises permettent à l’équipe de déterminer où elles se trouvent et à quelle vitesse elles vont. Cependant, le champ magnétique généré par les bobines n’est pas uniforme, et cela change les fréquences auxquelles les particules vont émettre de la fluorescence.

    «C’est l’un des plus grands défis de cette expérience», a expliqué Gorman. «Le plus important est qu’ils sont très bien contrôlés et disposent de diagnostics précis. Les choses peuvent être modifiées de manière subtile et compliquent ce que vous pouvez voir. »

    Pour que l’expérience sur le plasma soit applicable à des domaines utiles de la physique, les chercheurs doivent être en mesure de contrôler la substance plus longtemps et de mesurer avec précision ses propriétés. «Pour comprendre comment le vent solaire interagit avec la Terre, ou pour générer de l’énergie propre à partir de la fusion nucléaire, il faut comprendre comment le plasma – une soupe d’électrons et d’ions – se comporte dans un champ magnétique», a ajouté Killian. ®

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