Per circa 20 anni, il professore di fisica applicata del Caltech Paul Bellan e il suo gruppo hanno creato getti di plasma magneticamente accelerati, un gas elettricamente conduttore composto da ioni ed elettroni, in una camera a vuoto abbastanza grande da contenere una persona. (Le insegne al neon e i fulmini sono esempi quotidiani di plasma).
In quella camera a vuoto, filamenti di gas vengono ionizzati a diverse migliaia di volt. Quindi 100,000 A fluiscono attraverso il plasma, producendo forti campi magnetici che modellano il plasma in un getto che viaggia a circa 10 miglia al secondo. Le registrazioni ad alta velocità mostrano che il getto attraversa diverse fasi distinte in poche decine di microsecondi.
Bellan dice che il getto di plasma assomiglia ad un ombrello che cresce in lunghezza. Una volta che la lunghezza raggiunge uno o due piedi, il getto subisce un'instabilità che lo fa trasformare in un cavatappi in rapida espansione. Questa rapida espansione innesca un’instabilità diversa, più rapida, che crea increspature.
"Le increspature soffocano la corrente elettrica da 100 kiloamp del getto, proprio come mettere il pollice su un tubo dell'acqua limita il flusso e crea un gradiente di pressione che accelera l'acqua", afferma Bellan. “Soffocare la corrente del getto crea un campo elettrico abbastanza forte da accelerare gli elettroni ad alta energia”.
Quegli elettroni ad alta energia erano stati precedentemente identificati nell’esperimento del getto dai raggi X che generavano, e Bellan afferma che la loro presenza è stata una sorpresa. Questo perché la comprensione convenzionale dice che il plasma del getto era troppo freddo perché gli elettroni potessero essere accelerati ad alta energia. Si noti che "freddo" è un termine relativo: sebbene questo plasma abbia una temperatura di circa 20,000 Kelvin (35,500 °F) - molto più calda di qualsiasi cosa gli esseri umani normalmente incontrino - non è affatto vicino alla temperatura della corona solare, che è superiore a 1 milioni di Kelvin (1.8 milioni di gradi F).
"Quindi la domanda è: 'Perché vediamo i raggi X?'", dice.
Si pensava che i plasmi freddi non fossero in grado di generare elettroni ad alta energia perché sono troppo “collisionali”, il che significa che un elettrone non può viaggiare molto lontano prima di scontrarsi con un’altra particella. È come un pilota che cerca di trascinare la corsa attraverso l'ingorgo dell'autostrada. L'autista potrebbe premere l'acceleratore ma percorrerebbe solo pochi metri prima di schiantarsi contro un'altra macchina. Nel caso di un plasma freddo, un elettrone accelererebbe solo di circa un micron prima di scontrarsi e rallentare.
Il primo tentativo del gruppo Bellan di spiegare questo fenomeno fu un modello che suggeriva che una parte degli elettroni riesce a evitare la collisione con altre particelle durante il primo micron di viaggio. Secondo la teoria, ciò permetteva agli elettroni di accelerare a velocità leggermente più elevate e, una volta andati più veloci, potevano viaggiare ancora un po’ prima di incontrare un’altra particella con cui avrebbero potuto scontrarsi.
Una parte di quegli elettroni ora più veloci eviterebbe nuovamente una collisione per un certo periodo, consentendo loro di raggiungere una velocità ancora più elevata, che consentirebbe loro di viaggiare ancora più lontano, creando un circuito di feedback positivo che consentirebbe ad alcuni elettroni fortunati di andare più lontano. e più velocemente, raggiungendo velocità elevate ed energie elevate.
Ma sebbene convincente, la teoria era sbagliata, dice Bellan.
“Ci si è resi conto che questa argomentazione ha un difetto”, dice, “perché gli elettroni non si scontrano realmente nel senso di colpire o non colpire qualcosa. In realtà si stanno tutti deviando un po' continuamente. Quindi non esiste un elettrone che si scontra o non si scontra”.
Tuttavia, gli elettroni ad alta energia compaiono nel plasma freddo dell’esperimento del getto. Per scoprirne il motivo, Bellan ha sviluppato un codice informatico che calcolava le azioni di 5,000 elettroni e 5,000 ioni che si deviavano continuamente l'uno dall'altro in un campo elettrico. Per scoprire come alcuni elettroni riuscissero a raggiungere le alte energie, ha modificato i parametri e ha osservato come cambiava il comportamento degli elettroni.
Quando gli elettroni accelerano nel campo elettrico, passano vicino agli ioni ma non li toccano mai. Occasionalmente, un elettrone sfreccia così vicino a uno ione da trasferire energia a un elettrone attaccato allo ione e rallenta, con lo ione ora “eccitato” che irradia luce visibile. Poiché gli elettroni solo occasionalmente passano così vicino, di solito si limitano a deviare leggermente dallo ione senza eccitarlo. Questa perdita occasionale di energia si verifica nella maggior parte degli elettroni, il che significa che non raggiungono mai energie elevate.
Quando Bellan modificò la sua simulazione, apparvero alcuni elettroni ad alta energia in grado di creare raggi X. "I pochi fortunati che non si avvicinano mai abbastanza a uno ione per eccitarlo non perdono mai energia", aggiunge. “Questi elettroni vengono continuamente accelerati nel campo elettrico e alla fine raggiungono l’energia sufficiente per produrre i raggi X”.
Bellan dice che se questo comportamento si verifica nel getto di plasma nel suo laboratorio Caltech, probabilmente accade anche nei brillamenti solari e nelle situazioni astrofisiche. Ciò potrebbe anche spiegare perché durante gli esperimenti sull’energia di fusione a volte vengono osservati raggi X inaspettatamente ad alta energia.
"C'è una lunga storia di persone che vedono cose che pensavano fossero utili per la fusione", dice. “Si è scoperto che si trattava di fusione, ma non è stata molto utile. Si trattava di intensi campi elettrici transitori prodotti da instabilità che acceleravano alcune particelle a energie estremamente elevate. Questo potrebbe spiegare cosa stava succedendo. Non è quello che la gente vuole, ma probabilmente è quello che succede”.
L’articolo che descrive il lavoro, “Produzione energetica della coda di elettroni da incontri binari di elettroni e ioni discreti in un campo elettrico sub-Dreicer”, è stato pubblicato nel numero del 20 ottobre di Fisica dei plasmi ed è stato presentato il 3 novembre al 65° incontro annuale della Divisione di Fisica del Plasma dell'American Physical Society a Denver, in Colorado.