p Físicos do Instituto de Física Aplicada da Academia Russa de Ciências, pesquisadores da Chalmers University of Technology e cientistas da computação da Lobachevsky University desenvolveram uma nova ferramenta de software chamada PICADOR para modelagem numérica de plasmas a laser em supercomputadores modernos. p O trabalho no sistema de software PICADOR começou em 2010. PICADOR é uma implementação paralela do método particle-in-cell que foi otimizado para sistemas de cluster heterogêneos modernos. O projeto combinou as competências e esforços de especialistas de várias áreas, tornando-se assim a base para a otimização bem pensada e o desenvolvimento de novas abordagens de computação que levam em consideração vários processos físicos. Eventualmente, isso abriu o caminho para um avanço nas capacidades de modelagem em uma série de projetos de pesquisa. As capacidades funcionais e o desempenho do sistema tornam possível realizar simulações numéricas em uma variedade de problemas na vanguarda da física moderna de plasma a laser.

p Em seu artigo publicado em Relatórios Científicos , Os cientistas de Nizhny Novgorod formularam as condições sob as quais a geração semelhante a uma avalanche de elétrons e pósitrons no foco de um pulso de laser de alta potência produz um plasma elétron-pósitron de densidade recorde. O estudo permitirá compreender os processos que ocorrem em objetos astrofísicos e estudar os processos de produção de partículas elementares.

p Um fato bem conhecido na física quântica é a possibilidade de transformar certas partículas em outras partículas. Em particular, em um campo elétrico ou magnético suficientemente forte, um fóton gama pode decair em duas partículas, um elétron e um pósitron. Até agora, este efeito foi observado em condições de laboratório principalmente quando a radiação gama foi transmitida através de cristais nos quais existem campos suficientemente fortes próximos aos núcleos atômicos. Cientistas buscam uma nova ferramenta para estudar esse fenômeno:lasers capazes de gerar pulsos curtos com potência superior a 10 petawatts. Este nível de potência é alcançado por meio de foco extremo de radiação. Por exemplo, os cientistas sugerem o uso de uma configuração de campo de laser conhecida como focalização dipolo. Nesse caso, o ponto de foco é irradiado de todos os lados. Teoricamente, foi demonstrado que avalanches elétron-pósitron podem ser observadas no foco de tal instalação de laser. As partículas criadas pelo decaimento de um fóton gama serão aceleradas por um campo de laser e emitirão fótons gama, o que, por sua vez, dará origem a novos elétrons e pósitrons. Como resultado, o número de partículas em um curto espaço de tempo deve crescer imensamente dando origem a um plasma superdenso de elétron-pósitron.

p Contudo, existem algumas limitações na densidade do plasma que podem ser obtidas desta forma. Em algum ponto, a radiação do laser não será capaz de penetrar no plasma que se tornou muito denso, e a avalanche irá diminuir. De acordo com as estimativas existentes, a concentração de partículas no foco do laser será de pouco mais de 1024 partículas por centímetro cúbico. Para comparação, aproximadamente a mesma concentração de elétrons é encontrada em metais pesados, por exemplo, em platina ou ouro.

p Em seu novo jornal, uma equipe de autores chefiada pelo Professor A.M. Sergeev, Acadêmico da Academia Russa de Ciências, mostrou que sob certas condições, este número pode ser uma ordem de magnitude maior.

p A simulação numérica em grande escala do desenvolvimento da avalanche de elétron-pósitron em um campo de laser fortemente focado demonstra um objeto de investigação fundamentalmente novo, os estados quase-estacionários de um plasma denso de elétron-pósitron. Esses estados têm uma estrutura muito interessante e inesperada. Embora o campo de laser na forma de uma onda dipolo tenha uma simetria axial, a distribuição do plasma elétron-pósitron resultante do desenvolvimento da instabilidade da corrente degenera em duas camadas finas orientadas em um ângulo aleatório. A espessura das camadas e a concentração de partículas nessas camadas são aparentemente limitadas apenas pela aleatoriedade do processo de radiação, o que leva a valores extremos de densidade de plasma. Com um número total de partículas da ordem de 1011, a densidade excede o valor de 1026 partículas por centímetro cúbico, e no nosso caso foi apenas limitado pela resolução da simulação numérica.