Thermomètre précis à rayons X pour la matière dense et chaude
Une nouvelle méthode de détermination de la température ouvre l'horizon à une multitude d'expériences pratiquement irréalisables jusqu'à présent
La matière dense et chaude (MDT) mesure des milliers de degrés de température et est soumise à la pression de milliers d'atmosphères terrestres. Présente en de nombreux endroits dans l'univers, elle devrait avoir des applications bénéfiques sur Terre. Cependant, son étude est un défi. Même la température d'un matériau dans des conditions de WDM est tout sauf facile à déterminer. Une équipe de chercheurs dirigée par Tobias Dornheim, du Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) de la HZDR, a mis en évidence une solution mathématique qui permet une évaluation précise de la température.
Schéma de la configuration d'une expérience ICF.
CASUS/Blaurock
Comme le souligne l'équipe dans la revue Nature Communications, leur méthode peut être facilement utilisée dans les installations expérimentales de recherche sur la matière dans le monde entier et accélérer l'acquisition de connaissances scientifiques.
L'étude du WDM sert principalement à la compréhension des planètes et des étoiles. Mais il y a d'autres raisons pour lesquelles les experts tentent de recréer de tels états de la matière par des expériences élaborées sur Terre : De nouveaux matériaux aux propriétés fascinantes sont tout aussi concevables que des avancées significatives pour la fusion par confinement inertiel (FCI), une méthode prometteuse de production d'énergie.
En laboratoire, la FCI peut actuellement être générée pendant des fractions de seconde à l'aide de puissants flashs laser. Mais l'évaluation de ces expériences prend beaucoup de temps et empêche de comprendre ce qu'est la WDM et comment elle se comporte. La diffusion des rayons X est apparue comme une méthode de mesure prometteuse. Outre les lasers qui génèrent la matière dense et chaude, un autre laser à rayons X est dirigé vers l'échantillon. Selon la façon dont sa lumière est diffusée lorsqu'elle traverse l'échantillon, des conclusions peuvent être tirées sur les propriétés du matériau. Cette diffusion dite de Thomson des rayons X est évaluée par des simulations ou des modèles. Cependant, aucune des deux variantes n'est très précise, car il faut toujours faire certaines hypothèses pour obtenir des résultats. Les simulations, en particulier, sont également très gourmandes en ressources, et les chercheurs doivent avoir accès aux plus grands superordinateurs du monde pour les exécuter. L'évaluation des expériences a donc constitué un goulot d'étranglement pour le progrès scientifique.
"Nous démontrons avec notre travail qu'il est possible d'évaluer les données de diffusion sans utiliser de simulations ou de modèles et toutes leurs approximations et hypothèses", explique le Dr Tobias Dornheim, premier auteur de l'étude et chef du Young Investigator Group "Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory" au CASUS. "Nous ne reproduisons pas les expériences mais extrayons la température directement de la mesure. Cela réduit de plusieurs fois l'effort d'évaluation des expériences avec WDM. Notre méthode est également beaucoup plus précise que celle qui s'appuie sur des simulations et des modèles. L'interprétation des résultats est simple et directe". Dornheim et son équipe fondent leur approche sur une procédure mathématique fondamentale, la transformée de Laplace. À l'aide de trois exemples, ils démontrent que leur méthode permet une détermination non biaisée de la température du WDM. Les matériaux réels étudiés et l'installation expérimentale d'où proviennent les données de diffusion ont une importance mineure. La détermination des propriétés proposée, également appelée diagnostic, est universellement applicable et ne nécessite pas l'utilisation de superordinateurs.
Un projet CASUS typique
"Cette nouvelle approche montre qu'il est parfois possible d'accomplir plus rapidement et mieux une tâche exigeante en matière de calcul, simplement en pensant différemment à la question complexe qui se pose", déclare le Dr Michael Bussmann, responsable scientifique du CASUS. "Cette publication illustre bien la voie que nous avons empruntée avec CASUS : repenser la recherche sur les systèmes complexes à forte intensité de données à travers les différentes disciplines."
"Nous sommes convaincus que notre méthode sera adoptée par les physiciens expérimentaux et qu'elle leur sera utile lorsqu'ils évalueront leurs travaux", ajoute M. Dornheim. La recherche sur l'énergie de fusion est un domaine qui pourrait en bénéficier. Dans ce domaine, on tente de reproduire sur Terre les processus qui se déroulent dans les étoiles. Dans l'ICF, par exemple, le combustible composé de deutérium et de tritium est extrêmement chauffé et comprimé ; un état intermédiaire est le WDM. La diffusion des rayons X est utilisée pour suivre de près ce processus.
Un élément décisif dans la recherche sur l'énergie de fusion
Une annonce récente du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), aux États-Unis, a donné une impulsion majeure au domaine de la FCI. Pour la première fois, un allumage de fusion a réussi au NIF dans lequel plus d'énergie a été produite par la réaction de fusion que l'énergie fournie par les lasers pour démarrer la réaction. Le doctorant de CASUS Maximilian Böhme a mené des recherches au NIF pendant six mois au tournant de l'année 2018/19. En tant que deuxième auteur de la nouvelle publication, il a contribué de manière significative au développement de l'approche. "Les expériences de fusion au NIF utilisent également la diffusion des rayons X pour mesurer la température. Et l'équipe qui y travaille est confrontée exactement aux mêmes lacunes que les diagnostics disponibles. La détermination rapide et précise de la température est sans aucun doute un élément crucial qui permettra à la recherche sur l'énergie de fusion de faire un grand pas en avant. Et c'est exactement cet élément que nous fournissons maintenant avec notre travail", estime M. Böhme.
En outre, la nouvelle méthode est utile pour les expériences d'astrophysique de laboratoire pour lesquelles le Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) du XFEL européen est utilisé. Certaines de ces expériences visent à améliorer notre compréhension des nombreuses planètes actuellement connues en dehors de notre système solaire et à vérifier si la vie est possible sur l'une d'entre elles.
En collaboration avec le Dr Tilo Döppner (LLNL), le Dr Thomas Preston (European XFEL) et le Prof. Dominik Kraus (Université de Rostock et HZDR) - tous physiciens expérimentaux et co-auteurs de la présente publication - Dornheim et son équipe ont maintenant l'intention de montrer que leur méthode permet également de tirer des conclusions sur d'autres propriétés du WDM, au-delà de la température, de manière précise et directe.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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