Эксперимент с графитом запутал ядерных физиков

Международная команда ученых во главе с исследователями из Университета Уорвика и Университета Оксфорда поставила эксперимент, который привел к неожиданным результатам. Их опыт по нагреву графита до высоких температур может привести к пересмотру представлений о жизненном цикле гигантских планет и звезд, а также дать новые знания о термоядерном синтезе.

В своем исследовании ученые пытались больше узнать о том, как энергия распределяется между различными видами материи, прежде всего, как она передается от сильно нагретых электронов к холодным ионным остовам.

Разница в температурах между горячими электронами и охлажденными ионами должна выравниваться очень быстро, и время, которое для этого необходимо, является хорошей мерой силы взаимодействия между электронами и ионами. Это взаимодействие также определяет, например, как тепло или излучение транспортируется изнутри планеты или звезды к ее поверхности. Этот же процесс имеет важное значение и для ядерного синтеза, где электроны и ионы нагреваются в процессе синтеза.

До сих пор все эксперименты с использованием прямого лазерного нагрева электронов и ионов были слишком неточными, наблюдалось постоянное расхождение наблюдений и данных компьютерного моделирования. Больше всего ученые хотели объяснить большую длительность уравновешивания температуры в экспериментах и списывали это явление на несовершенство методик измерения.

Теперь команда ученых разработала методику проведения более точных экспериментов. Вместо прямого нагрева лазером они использовали интенсивные пучки протонов, которые нагревают исключительно электроны, оставляя ионы охлажденными. Так, в ходе эксперимента электроны нагрели до 16730 градусов Цельсия, в то время как ионы остались в пределах комнатной температуры - 26 градусов Цельсия.

Ученые ожидали, что разрыв между моделируемым взаимодействием и наблюдениями уменьшится, однако вопреки их ожиданиям он даже увеличился. Более точный эксперимент показывает, что выравнивание температур горячих электронов и холодных ионов на самом деле идет в 3 раза медленнее, чем показывали предыдущие измерения, и более чем в 10 раз медленнее, чем предсказывала математическая модель.

Это означает, что основной процесс электрон-ионного взаимодействия до сих пор остается плохо изученным. А поскольку он регулирует многие свойства материалов, данные результаты имеют широкие последствия: от совершенствования термоядерного синтеза, до понимания развития астрофизических объектов.