Теплое плотное вещество (WDM) измеряет температуру в тысячи градусов и находится под давлением в тысячи земных атмосфер. Найденный во многих местах по всей Вселенной, ожидается, что он найдет полезное применение на Земле. Однако его исследование представляет собой сложную задачу.

Даже температуру материала в условиях WDM определить совсем не просто. Группа исследователей под руководством доктора Тобиаса Дорнхейма из Центра изучения передовых систем (CASUS) в HZDR продемонстрировала математическое решение, позволяющее точно оценить температуру.

Как отмечает команда в журнале Nature Communications, их метод можно легко использовать в экспериментальных установках для исследования материи по всему миру и ускорить получение научных знаний.

Исследование WDM в первую очередь служит пониманию планет и звезд. Но есть и другие причины, по которым эксперты пытаются воссоздать такие состояния материи с помощью сложных экспериментов на Земле: новые материалы с удивительными свойствами столь же мыслимы, как и значительные достижения в области термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF), многообещающего метода производства энергии.

В настоящее время в лаборатории WDM можно генерировать за доли секунды с помощью мощных лазерных вспышек. Но оценка этих экспериментов требует много времени и мешает базовому пониманию того, что такое WDM и как он себя ведет. Рентгеновское рассеяние стало перспективным методом измерения. Помимо лазеров, генерирующих теплое плотное вещество , на образец направлен дополнительный рентгеновский лазер.

В зависимости от того, как рассеивается его свет при прохождении через образец, можно сделать выводы о свойствах материала. Это так называемое рассеяние рентгеновских лучей Томсона оценивается с помощью моделирования или моделей.

Однако ни один из вариантов не является очень точным, поскольку для получения результатов всегда необходимо делать определенные предположения. Моделирование, в частности, также очень ресурсоемко, и исследователям необходим доступ к крупнейшим в мире суперкомпьютерам для их запуска. Таким образом, оценка экспериментов была узким местом для научного прогресса.

«Нашей работой мы демонстрируем, что можно оценить данные рассеяния без использования моделирования или моделей и всех их приближений и предположений», — говорит д-р Тобиас Дорнхейм, первый автор исследования и руководитель группы молодых исследователей «Границы вычислительной техники». Квантовая теория многих тел» в CASUS.

«Мы не воспроизводим эксперименты, а извлекаем температуру непосредственно из измерений. Это во много раз снижает усилия по оценке экспериментов с WDM. Наш метод также значительно более точен, чем симуляции и модели. Интерпретация результатов проста и понятна. .»

Дорнхейм и его команда основывают свой подход на фундаментальной математической процедуре — преобразовании Лапласа. На трех примерах они демонстрируют, что их метод позволяет беспристрастно определять температуру WDM. Фактические изучаемые материалы и экспериментальная установка, на которой получены данные по рассеянию, имеют второстепенное значение. Предлагаемое определение свойств, также называемое диагностикой, универсально применимо и не требует использования суперкомпьютеров.

Типовой проект CASUS

«Этот новый подход показывает, что иногда вы можете выполнять ресурсоемкие задачи быстрее и лучше, просто по-другому думая о сложном вопросе», — говорит д-р Майкл Буссманн, научный руководитель CASUS. «Эта публикация иллюстрирует путь, который мы выбрали с CASUS: переосмысление исследований сложных систем с интенсивным использованием данных в отдельных дисциплинах».

«Мы уверены, что наш метод будет принят физиками-экспериментаторами и поможет им при оценке своей работы», — добавляет Дорнхейм. Одной из областей, которая потенциально может принести пользу, являются исследования в области термоядерной энергии. Здесь предпринимаются попытки воспроизвести на Земле процессы, происходящие в звездах. В ИТС, например, топливо из дейтерия и трития сильно нагревается и сжимается; промежуточное состояние — это WDM. Рассеяние рентгеновских лучей используется для тщательного наблюдения за этим процессом.

Решающий элемент в исследованиях термоядерной энергии

Недавнее заявление Национального центра по воспламенению (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) в США дало серьезный толчок развитию МКФ. Впервые в NIF удалось зажечь термоядерный синтез, в котором в результате реакции синтеза было произведено больше энергии, чем энергии, предоставленной лазерами для запуска реакции.

Докторант CASUS Максимилиан Беме проводил исследования в NIF в течение шести месяцев на рубеже 2018/19. Как второй автор новой публикации он внес значительный вклад в развитие подхода.

«Эксперименты по термоядерному синтезу в NIF также используют рассеяние рентгеновских лучей для измерения температуры. И команда там борется с точно такими же недостатками доступной диагностики. Быстрое и точное определение температуры, безусловно, является решающим элементом, который сделает исследования энергии термоядерного синтеза большим. шаг вперед. И это именно тот элемент, который мы сейчас привносим в нашу работу», — считает Бёме.

Кроме того, новый метод полезен для экспериментов в лабораторной астрофизике, для которых используется Международная линия пучка Гельмгольца для экстремальных полей (HIBEF) в Европейском XFEL. Некоторые из этих экспериментов призваны улучшить наше понимание многих планет, известных в настоящее время за пределами нашей Солнечной системы, и проверить, возможна ли жизнь на одной из них.

В сотрудничестве с доктором Тило Дёппнером (LLNL), доктором Томасом Престоном (Европейский XFEL) и профессором Домиником Краусом (Университет Ростока и HZDR) — все физики-экспериментаторы и соавторы текущей публикации — Дорнхейм и его команда теперь намереваются показать, что их метод также позволяет делать выводы о других свойствах WDM, помимо температуры, точным и прямым образом.