在科学探索的前沿，国际科学家团队在实验室中成功生成了高密度的相对论电子-正电子对等离子体束，这一突破性成果发表在《自然通讯》上。黑洞和中子星是宇宙中已知最致密的天体，在这些极端环境中存在着等离子体，这些等离子体由以接近光速运动的电子和正电子组成。尽管这种等离子体在深空中很常见，但在实验室中生成它们一直是个挑战。罗切斯特大学（2024USNews美国大学排名：47）激光能量学实验室（LLE）的研究人员与牛津大学、欧洲核子研究中心（CERN）等机构的科学家合作，设计了一种新颖的实验，利用CERN的超级质子同步加速器（SPS）生成了极高产量的准中性电子-正电子对束。该实验利用了超过1000亿个质子，每个质子的动能是其静止能量的440倍，通过这种级联效应，一个质子可以生成大量的电子和正电子，使得这种对等离子体的生成过程极为高效。这一成果为后续实验打开了大门，有望揭示宇宙运行的基本原理。研究团队还开发了修改对束发射度的技术，使得在实验室中进行等离子体相互作用的受控研究成为可能。该项目得到了欧盟地平线欧洲研究与创新计划的资助。
高密度相对论电子-正电子对等离子体
黑洞和中子星是宇宙中最致密的天体之一。在这些环境中存在等离子体，这是一种与固体、液体和气体并列的第四种物质状态。特别是，这些等离子体被称为相对论电子-正电子对等离子体，因为它们由以接近光速运动的电子和正电子组成。尽管这些等离子体在深空中很常见，但在实验室中创造它们一直是一个挑战。
一个国际科学家团队，包括来自罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的研究人员，实验性地生成了高密度的相对论电子-正电子对等离子体束，其产生的对数比以前报道的多出两个到三个数量级。该团队的研究成果发表在《自然通讯》上。
罗切斯特大学的研究人员与牛津大学的物理学家Charles Arrowsmith合作，设计了一项使用欧洲核子研究组织（CERN）超级质子同步加速器（SPS）HiRadMat设施的实验。该实验使用了超过1000亿个质子，每个质子的动能是其静止能量的440倍。当质子与原子碰撞时，它释放出其内部成分——夸克和胶子，然后重新组合产生衰变成电子和正电子的喷流。
这项研究开启了实验室天体物理学的全新前沿，使得实验性探测伽马射线暴或耀变体喷流的微观物理成为可能。团队还开发了修改对束发射度的技术，使得在天体物理系统的缩放模拟中进行受控研究成为可能。牛津大学的物理学教授Gianluca Gregori表示，这一成就突显了全球实验设施之间交流与合作的重要性，尤其是在进入越来越极端的物理领域时。
实验室生成等离子体的挑战
一支国际科学家团队，包括来自罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的研究人员，成功在实验室中生成了高密度的相对论性电子-正电子对等离子体束，产生的对数比之前报道的多出两到三个数量级。这一实验成就标志着在理解黑洞和中子星等极端天体物理环境中的复杂物理现象方面迈出了重要一步。等离子体是继固体、液体和气体之后的第四种基本物质状态，特别是相对论性电子-正电子对等离子体，在黑洞和中子星等极端天体物理环境中普遍存在。然而，直到现在，在实验室中生成这些等离子体一直是一个挑战。罗切斯特大学的研究人员与来自牛津大学的主要作者Charles Arrowsmith及其他科学家合作，设计了一项在欧洲核子研究组织（CERN）日内瓦超级质子同步加速器（SPS）进行的新实验。团队利用CERN的HiRadMat设施，使用超过1000亿个质子生成了极高产量的准中性电子-正电子对束。每个质子携带的动能是其静止能量的440倍，能够撞击原子并释放其内部成分——夸克和胶子，然后重新组合产生一个最终衰变成电子和正电子的粒子雨。研究团队还开发了修改对束发射度的技术，使得能够在缩放的天体物理系统模拟中进行受控的等离子体相互作用研究。这一发现为实验室天体物理学开辟了一个全新的前沿，使得可以实验性地探测伽马射线暴或耀变体喷流的微观物理学。
CERN超级质子同步加速器在科学实验中的角色
研究人员成功在地球上生成了高密度的“等离子火球”，这一突破性成就再现了黑洞和中子星周围自然发生的条件。这标志着首次在受控实验室条件下成功生成相对论电子-正电子对等离子体，这种物质状态通常只在深空中出现。这项工作是罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）研究人员与国际合作的结果。成功生成相对论电子-正电子对等离子体标志着等离子体科学的新里程碑，有助于科学家更深入地理解宇宙中一些最极端的区域。黑洞和中子星是宇宙中最致密的天体之一，其周围的等离子体由以接近光速运动的电子和正电子组成。尽管这些相对论电子-正电子对等离子体在宇宙中很常见，但科学家们在实验室中再现它们时遇到了困难。现在，罗切斯特大学LLE的研究人员及其国际合作伙伴终于在实验中成功生成了比之前报道多两到三个数量级的等离子对。实验在瑞士日内瓦的CERN超级质子同步加速器（SPS）的HiRadMat设施进行，利用了超过1000亿个质子，每个质子的动能是其静止能量的440倍。研究团队生成了准中性电子-正电子对束，其行为与空间中的真实等离子体一致。研究团队还开发了调整对束的新方法，使未来能够进行受控的等离子体相互作用研究。
研究对理解宇宙基本原理的影响
银河系调查在现代天文学中扮演着重要角色，通过收集和分析关于银河系分布、性质和演化的数据，帮助天文学家和宇宙学家揭示隐藏的宇宙信息。早期的银河系调查依赖于视觉观测和摄影板，随着数字探测器和先进望远镜的引入，项目如斯隆数字巡天（SDSS）和二维视场银河系红移调查（2dFGRS）大大推进了这一领域的发展。近年来，多目标光谱仪、先进成像技术和强大的计算工具进一步提升了银河系调查的能力。
银河系调查的基本原则包括红移测量、光度测量和光谱测量，这些技术结合使用提供了银河系性质和分布的全貌。统计方法如相关函数和功率谱用于分析大规模数据集，揭示暗物质的分布和暗能量对宇宙膨胀的影响。
暗能量被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量，银河系调查通过测量宇宙大尺度结构和宇宙距离来研究暗能量。例如，扩展重子声波振荡光谱调查（eBOSS）通过分析银河系和类星体的分布提供了重要的暗能量数据。暗物质是宇宙质量-能量内容的27%，银河系调查通过观察其对可见物质的引力效应来研究暗物质。暗能量调查（DES）利用弱引力透镜和银河系聚类技术绘制了暗物质的分布图。
大规模结构和宇宙网是由银河系和暗物质组成的互联丝状结构，Kilo-Degree Survey（KiDS）等项目利用先进技术绘制了这一结构，提供了宇宙结构形成的模型。机器学习和大数据技术在处理现代银河系调查数据方面显示出巨大潜力，卷积神经网络（CNN）在分类银河系形态和检测数据中的微妙特征方面表现出色。
银河系调查面临的挑战包括仪器和数据的精确校准以及高精度测量的需求。未来的项目如欧几里得任务和平方公里阵列（SKA）将进一步推动这一领域的发展。总之，银河系调查通过先进技术和创新方法揭示了关于暗物质、暗能量和宇宙大尺度结构的隐藏信息，未来的项目和机器学习的结合有望带来更深层次的洞见，开启宇宙学研究的新纪元。
综合总结
国际科学家团队在实验室中成功生成高密度相对论电子-正电子对等离子体束的突破性成果，不仅标志着等离子体科学的新里程碑，也为理解宇宙中一些最极端的区域提供了新的视角。通过利用CERN的超级质子同步加速器（SPS），研究团队克服了在实验室中生成这种等离子体的挑战，开启了实验室天体物理学的全新前沿。这一成就不仅展示了全球实验设施之间交流与合作的重要性，还为未来的研究提供了新的方法和技术，使得在实验室中进行受控的等离子体相互作用研究成为可能。
此外，这一研究对理解宇宙的基本原理具有深远的影响。通过银河系调查和其他先进技术，科学家们能够更深入地探测暗物质、暗能量和宇宙大尺度结构，揭示隐藏在宇宙中的信息。未来的项目和机器学习的结合有望带来更深层次的洞见，开启宇宙学研究的新纪元。
总之，这一突破性研究不仅为科学家们提供了新的工具和方法，也为我们理解宇宙的基本原理提供了新的视角。通过全球合作和先进技术的应用，科学家们将继续探索宇宙的奥秘，揭示隐藏在其中的真相。
参考新闻资料:
- Pair plasmas found in deep space can now be generated in the lab
- Pair Plasmas Generated in Laboratory Setting
- Pair plasmas found in deep space can now be generated in the lab
- Scientists Produce Black Hole ‘Plasma Fireballs’ on Earth in New Breakthrough Experiment
- The Role of Galaxy Surveys in Modern Astronomy
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