Generación en el laboratorio de los estados de la materia en el interior de las estrellas

Un consorcio internacional del que forman parte investigadores de la UPM ha demostrado experimentalmente por primera vez el guiado de electrones relativistas mediante un campo magnético externo generado por láser. Su trabajo ha sido publicado en la revista Nature Communications.

23.04.2018

Nuevas perspectivas para la astrofísica, la planetología y la fusión por confinamiento inercial como fuente masiva de energía se plantean como consecuencia de las investigaciones realizadas por un grupo de investigadores, del que forma parte el investigador y catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid, Javier Honrubia.

El grupo esta formado por investigadores de las Universidades de Burdeos, Osaka, UPM, Ecole Polytechnique, Oxford, York y la Universidad Técnica de Darmstadt. Estos investigadores han demostrado experimentalmente por primera vez el guiado de electrones relativistas mediante un campo magnético externo de muy alta intensidad (600 Tesla) generado por láser.

Los experimentos fueron realizados en el laboratorio LULI (Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, Ecole Polytechnique, Palaiseau, Francia) con pulsos láser ultra-intensos (1019 W/cm2), que han permitido el estudio de la materia en condiciones extremas de densidad y temperatura. Dichas condiciones son similares a las que se presentan en las estrellas o en el interior de los planetas. “La interacción de los pulsos láser con blancos sólidos genera un gran flujo de energía hacia el interior de los mismos, fundamentalmente en forma de un haz de electrones relativistas”, explica el profesor Honrubia. “Hemos conseguido demostrar experimentalmente una mejora del 500% en el transporte de energía de los electrones en el interior del blanco. Y ello con un método sin precedentes. En primer lugar se genera un campo magnético intenso de hasta 600 Tesla durante unos pocos nanosegundos mediante un láser de alta intensidad (1017 W/cm2). Durante este tiempo, el campo magnético se difunde en un blanco sólido de una décima de milímetro de espesor. A continuación, se dispara un láser ultra-intenso (1019 W/cm2) sobre el mismo blanco para generar un haz de electrones relativistas, que es intrínsecamente divergente. Como el blanco ya está magnetizado, los electrones se propagan en su interior guiados por el campo magnético que colima y dirige el haz, produciendo un flujo de energía sin precedentes en el interior del blanco”, sostiene.

Por tanto, es posible generar flujos de energía extraordinariamente intensos en el interior de la materia, lo que permite realizar estudios de materia con alta densidad de energía. De esta manera, se podrían reproducir en el laboratorio los estados de la materia existente dentro de los planetas, en las estrellas o incluso en sistemas astrofísicos muy energéticos como restos de supernova o explosiones de rayos gamma. Al mismo tiempo, los resultados obtenidos en el experimento pueden suponer un avance importante en la fusión por confinamiento inercial y, en particular, en la ignición rápida de blancos de fusión. La importancia de este trabajo ha sido reconocida por la revista Nature Communications, que lo ha publicado en su número de enero [Nat. Comm. 9: 102 (2018)].

Contribución de la UPM

La interpretación y simulación numérica completa del experimento, desde la difusión del campo magnético en el blanco hasta el transporte tridimensional de los electrones relativistas en el blanco magnetizado, se ha realizado con los programas desarrollados por Javier Honrubia, catedrático de Física Aplicada y miembro del grupo de investigación de la UPM “Fusión Inercial y Física de Plasmas”. Para la realización de las simulaciones ha sido fundamental la utilización de los ordenadores de la Red Española de Supercomputación Marenostrum y Magerit de los centros de supercomputación de Barcelona y de la UPM, respectivamente.

Guiding of relativistic electron beams in dense matter by laser-driven magnetostatic fields. Nat Commun. 2018 Jan 9;9(1):102. doi: 10.1038/s41467-017-02641-7.