فیزیکدان توضیح می دهد که اشعه ایکس نباید در پلاسمای “سرد” وجود داشته باشد

حدود 20 سال است که پل بلون، استاد فیزیک کاربردی Caltech و گروهش جت های پلاسما با شتاب مغناطیسی، گاز رسانای الکتریکی متشکل از یون ها و الکترون ها، در یک محفظه خلاء به اندازه کافی بزرگ برای نگه داشتن یک فرد ایجاد کرده اند. (علائم نئون و رعد و برق نمونه های روزمره پلاسما هستند).

در آن محفظه خلاءجت های گاز با چندین هزار ولت یونیزه می شوند. سپس 100000 آمپر جریان دارد پلاسماتولید میدان های مغناطیسی قوی که پلاسما را به یک جت تبدیل می کنند که با سرعت حدود 10 مایل در ثانیه حرکت می کند. ضبط های با سرعت بالا نشان می دهد که جت در چند ده میکروثانیه از چندین مرحله مختلف عبور می کند.

بلان می گوید که جت پلاسما شبیه چتری است که طول آن رشد می کند. هنگامی که طول به یک یا دو فوت می رسد، جت دچار ناپایداری می شود که باعث می شود به یک چوب پنبه در حال گسترش سریع تبدیل شود. این انبساط سریع باعث ایجاد ناپایداری متفاوت و سریعتر می شود که امواج را ایجاد می کند.

موج‌ها جریان الکتریکی 100 کیلو آمپری جت را خفه می‌کنند، دقیقاً مانند قرار دادن انگشت شست بر روی شیلنگ آب، جریان را محدود می‌کند و ایجاد می‌کند. گرادیان فشار بلون می گوید که آب را تسریع می کند میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی است که الکترون ها را به انرژی بالا شتاب دهد.”

این الکترون‌های پرانرژی قبلاً در آزمایش جت توسط پرتوهای ایکسی که تولید می‌کنند شناسایی شده بودند، و بلون می‌گوید حضور آنها غافلگیرکننده بود. این به این دلیل است که عقل متعارف می گوید که پلاسمای جت برای الکترون ها خیلی سرد بود که نمی توانست به انرژی بالا شتاب بگیرد. توجه داشته باشید که “سرد” یک اصطلاح نسبی است: اگرچه این پلاسما دمایی در حدود 20000 کلوین (35500 درجه فارنهایت) داشت – بسیار گرمتر از هر چیزی که معمولاً انسان با آن روبرو می شود – به دمای تاج خورشید که بیش از 1 میلیون است نزدیک نیست. کلوین (1.8 میلیون درجه فارنهایت).

او می گوید: «بنابراین سؤال این است که چرا ما اشعه ایکس را می بینیم؟

تصور می‌شود که پلاسمای سرد قادر به تولید الکترون‌های پرانرژی نیست زیرا بیش از حد «برخورد» است، به این معنی که یک الکترون نمی‌تواند قبل از برخورد با ذره‌ای بسیار دور سفر کند. مانند راننده ای است که سعی می کند مخفیانه از بین راه بندان های ترافیکی بزرگراه عبور کند. راننده می تواند به پدال گاز برخورد کند، اما قبل از تصادف با خودروی دیگر فقط چند فوت حرکت می کند. در مورد پلاسمای سرد، یک الکترون قبل از برخورد و کاهش سرعت فقط حدود یک میکرون شتاب می گیرد.

اولین تلاش گروه بلان برای توضیح این پدیده، مدلی بود که نشان می‌داد برخی از الکترون‌ها توانستند در طول اولین میکرون سفر از برخورد با ذرات دیگر جلوگیری کنند. طبق این تئوری، این به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا با سرعت کمی بیشتر شتاب بگیرند و پس از شتاب گرفتن، می‌توانند قبل از برخورد با ذره‌ای دیگر برای برخورد با آن، کمی بیشتر حرکت کنند.

برخی از این الکترون‌های سریع‌تر دوباره برای مدتی از برخورد اجتناب می‌کنند و به آنها اجازه می‌دهد به سرعت بالاتری برسند، که به آنها امکان می‌دهد حتی بیشتر سفر کنند، و یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد می‌کند که به تعداد کمی از الکترون‌های خوش شانس اجازه می‌دهد بیشتر و سریع‌تر بروند. دستیابی به سرعت بالا و انرژی بالا.

بلون می‌گوید، اما با وجود قانع‌کننده بودن، این نظریه اشتباه بود.

او می‌گوید: «متوجه شد که در این استدلال نقصی وجود دارد، زیرا الکترون‌ها در واقع به معنای برخورد یا برخورد نکردن با چیزی با هم برخورد نمی‌کنند. همه آنها در واقع همیشه کمی منحرف می شوند. بنابراین چیزی به نام برخورد یا عدم برخورد الکترون وجود ندارد.”

با این حال، الکترون‌های پرانرژی در پلاسمای سرد آزمایش جت ظاهر می‌شوند. بلان برای پی بردن به چرایی این امر، یک کد کامپیوتری ایجاد کرد که عملکرد 5000 الکترون و 5000 یون را که دائماً در یک میدان الکتریکی از یکدیگر منحرف می‌شوند را محاسبه می‌کرد. او برای درک اینکه چگونه چند الکترون موفق به رسیدن به انرژی های بالا می شوند، پارامترها را تغییر می دهد و نحوه تغییر رفتار الکترون ها را مشاهده می کند.

همانطور که الکترون ها در میدان الکتریکی شتاب می گیرند، از نزدیک یون ها عبور می کنند اما هرگز آنها را لمس نمی کنند. گاهی اوقات یک الکترون به قدری نزدیک یک یون پرواز می کند که انرژی را به یک الکترون متصل به یون منتقل می کند و سرعتش را کاهش می دهد و یونی که اکنون “تحریک شده” نور مرئی ساطع می کند. از آنجایی که الکترون‌ها فقط گهگاه از این نزدیکی عبور می‌کنند، معمولاً فقط کمی از یون خارج می‌شوند بدون اینکه آن را تحریک کنند. این نشت تصادفی انرژی در اکثر الکترون ها رخ می دهد، به این معنی که آنها هرگز به انرژی های بالا نمی رسند.

هنگامی که بلون شبیه سازی خود را اصلاح کرد، چندین الکترون پرانرژی ظاهر شدند که قادر به ایجاد پرتوهای ایکس بودند. او می افزاید: «تعداد کمی خوش شانسی که هرگز آنقدر به یک یون نزدیک نمی شوند که آن را تحریک کند، هرگز انرژی خود را از دست نمی دهند. این الکترون ها به طور مداوم در میدان الکتریکی شتاب می گیرند و در نهایت به انرژی کافی برای تولید اشعه ایکس می رسند.

بلان می گوید که اگر این رفتار در جت پلاسما در آزمایشگاه او در Caltech، احتمالاً در شراره های خورشیدی و موقعیت های اخترفیزیکی نیز رخ می دهد. این همچنین ممکن است توضیح دهد که چرا گاهی اوقات پرتوهای ایکس با انرژی بالا و غیرمنتظره در طول آزمایش های انرژی همجوشی مشاهده می شود.

او می‌گوید: «سابقه‌ای طولانی از دیدن چیزهایی وجود دارد که فکر می‌کردند ترکیب مفیدی هستند. معلوم شد فیوژن است، اما واقعاً مفید نبود. آن‌ها میدان‌های الکتریکی گذرا شدیدی بودند که توسط ناپایداری‌هایی که چند ذره را تا حد زیادی شتاب می‌دادند تولید می‌شدند. انرژی بالا. این ممکن است توضیح دهد که چه اتفاقی در حال رخ دادن است. این چیزی نیست که مردم می خواهند، اما احتمالاً در حال وقوع است.”

مقاله ای که کار را توصیف می کند، «تولید صف الکترونیکی پرانرژی از برخوردهای دودویی گسسته الکترون ها و یونها در میدان الکتریکی ساب درایسر” بود منتشر شده در شماره 20 اکتبر از فیزیک پلاسما و در 3 نوامبر در شصت و پنجمین نشست سالانه بخش فیزیک پلاسما انجمن فیزیک آمریکا در دنور، کلرادو ارائه شد.