Trong khoảng 20 năm, Giáo sư Vật lý Ứng dụng Caltech Paul Bellan và nhóm của ông đã tạo ra các tia plasma được gia tốc từ tính, một loại khí dẫn điện gồm các ion và electron, trong một buồng chân không đủ lớn để chứa một người. (Dấu hiệu neon và tia sét là những ví dụ hàng ngày về plasma).
Trong buồng chân không đó, những luồng khí bị ion hóa ở mức điện áp vài nghìn volt. Sau đó, 100,000 ampe chạy qua plasma, tạo ra từ trường mạnh biến plasma thành một dòng phản lực di chuyển với tốc độ khoảng 10 dặm/giây. Các bản ghi tốc độ cao cho thấy tia chuyển tiếp qua nhiều giai đoạn riêng biệt trong vài chục micro giây.
Bellan cho biết tia plasma trông giống như một chiếc ô ngày càng dài ra. Khi chiều dài đạt tới một hoặc hai feet, máy bay phản lực sẽ trải qua sự mất ổn định khiến nó biến thành một cái mở nút chai đang giãn nở nhanh chóng. Sự mở rộng nhanh chóng này gây ra sự bất ổn khác, nhanh hơn và tạo ra những gợn sóng.
Bellan nói: “Những gợn sóng làm nghẹt dòng điện 100 kiloamp của máy bay phản lực, giống như việc đặt ngón tay cái của bạn lên vòi nước sẽ hạn chế dòng chảy và tạo ra một gradient áp suất làm tăng tốc nước”. “Việc bóp nghẹt dòng điện tạo ra một điện trường đủ mạnh để tăng tốc các electron lên mức năng lượng cao.”
Những electron năng lượng cao đó trước đây đã được xác định trong thí nghiệm phản lực bằng tia X mà chúng tạo ra, và Bellan cho biết sự hiện diện của chúng là một điều bất ngờ. Đó là bởi vì cách hiểu thông thường cho rằng plasma phản lực quá lạnh để các electron có thể được gia tốc lên năng lượng cao. Lưu ý rằng “lạnh” là một thuật ngữ tương đối: Mặc dù plasma này có nhiệt độ khoảng 20,000 Kelvin (35,500°F)—nóng hơn nhiều so với nhiệt độ mà con người thường gặp—nhưng nó không bằng nhiệt độ của quầng sáng mặt trời, tức là hơn 1 triệu Kelvin (1.8 triệu độ F).
“Vì vậy, câu hỏi đặt ra là 'Tại sao chúng ta lại nhìn thấy tia X?'" ông nói.
Người ta cho rằng plasma lạnh không có khả năng tạo ra các electron năng lượng cao vì chúng quá “va chạm”, nghĩa là một electron không thể di chuyển rất xa trước khi va chạm với một hạt khác. Nó giống như một người lái xe đang cố gắng vượt qua tình trạng tắc nghẽn trên đường cao tốc. Người lái xe có thể nhấn ga nhưng chỉ đi được vài bước trước khi đâm vào một chiếc xe khác. Trong trường hợp plasma lạnh, một electron sẽ chỉ tăng tốc khoảng một micron trước khi va chạm và giảm tốc độ.
Nỗ lực đầu tiên của nhóm Bellan trong việc giải thích hiện tượng này là một mô hình cho thấy rằng một số phần electron tìm cách tránh va chạm với các hạt khác trong hành trình micron đầu tiên. Theo lý thuyết, điều đó cho phép các electron tăng tốc đến vận tốc cao hơn một chút và khi di chuyển nhanh hơn, chúng có thể di chuyển xa hơn một chút trước khi gặp một hạt khác mà chúng có thể va chạm.
Một phần nhỏ trong số các electron hiện đã nhanh hơn này sẽ lại tránh được va chạm trong một thời gian, cho phép chúng đạt được tốc độ cao hơn nữa, điều này sẽ cho phép chúng di chuyển xa hơn nữa, tạo ra một vòng phản hồi dương cho phép một số electron may mắn đi xa hơn và nhanh hơn, đạt tốc độ cao và năng lượng cao.
Nhưng mặc dù thuyết phục nhưng lý thuyết này đã sai, Bellan nói.
“Người ta nhận ra rằng lập luận này có một sai sót,” ông nói, “bởi vì các electron không thực sự va chạm theo nghĩa là va vào thứ gì đó hoặc không va vào thứ gì đó. Tất cả họ đều thực sự chệch hướng một chút trong mọi lúc. Vì vậy, không có chuyện electron va chạm hay không va chạm.”
Tuy nhiên, các electron năng lượng cao thực sự xuất hiện trong plasma lạnh của thí nghiệm phản lực. Để tìm hiểu lý do tại sao, Bellan đã phát triển một mã máy tính tính toán hoạt động của 5,000 electron và 5,000 ion liên tục lệch nhau trong một điện trường. Để tìm hiểu làm thế nào một số electron có thể đạt được năng lượng cao, ông đã điều chỉnh các thông số và quan sát hành vi của các electron thay đổi như thế nào.
Khi các electron tăng tốc trong điện trường, chúng đi qua các ion gần nhưng thực tế không bao giờ chạm vào chúng. Thỉnh thoảng, một electron bay vút qua một ion quá gần đến mức nó truyền năng lượng cho một electron gắn với ion đó và chuyển động chậm lại, khi ion lúc này “bị kích thích” phát ra ánh sáng khả kiến. Bởi vì các electron chỉ thỉnh thoảng đi qua rất gần nên chúng thường chỉ lệch một chút khỏi ion mà không kích thích nó. Sự rò rỉ năng lượng không thường xuyên này xảy ra ở hầu hết các electron, có nghĩa là chúng không bao giờ đạt được năng lượng cao.
Khi Bellan điều chỉnh mô phỏng của mình, một số electron năng lượng cao có khả năng tạo ra tia X xuất hiện. “Một số ít may mắn không bao giờ đến đủ gần một ion để kích thích nó và không bao giờ mất năng lượng,” ông nói thêm. “Những electron này được gia tốc liên tục trong điện trường và cuối cùng đạt đủ năng lượng để tạo ra tia X.”
Bellan nói rằng nếu hành vi này xảy ra trong dòng tia plasma trong phòng thí nghiệm Caltech của ông thì nó có thể cũng xảy ra trong các vụ nổ mặt trời và các tình huống vật lý thiên văn. Điều này cũng có thể giải thích tại sao tia X năng lượng cao bất ngờ đôi khi được nhìn thấy trong các thí nghiệm năng lượng nhiệt hạch.
“Có một lịch sử lâu dài về việc con người nhìn thấy những thứ mà họ cho là sự kết hợp hữu ích,” ông nói. “Hóa ra đó là sự hợp nhất, nhưng nó không thực sự hữu ích. Đó là điện trường nhất thời cực mạnh được tạo ra bởi sự mất ổn định làm tăng tốc một số hạt lên năng lượng cực cao. Điều này có thể giải thích chuyện gì đang xảy ra. Đó không phải là điều mọi người mong muốn, nhưng có lẽ đó là điều sẽ xảy ra.”
Bài báo mô tả công trình “Sự tạo ra đuôi electron có năng lượng từ sự va chạm nhị phân của các electron và ion rời rạc trong điện trường cận Dreicer” được xuất bản trên tạp chí số ra ngày 20 tháng XNUMX của tạp chí Vật lý của Plasmas và được trình bày vào ngày 3 tháng 65 tại Hội nghị thường niên lần thứ XNUMX của Ban Vật lý Plasma của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ ở Denver, Colorado.