超级计算机点燃激发伽马射线的激光束

你是否拥有过一个放大镜玩具？想象一个像地球一样大的镜头，现在把阳光集中到一个铅笔尖的大小上。但如今，对于德克萨斯州的科学家的想法来说，这仍然是不够好。他们想让光更强烈到500倍。他们说，这样就可以打开宇宙中最强大的辐射线的大门：伽玛射线。

漫画书的读者可能会知道伽玛射线。绿巨人就是因为核爆炸辐射γ射线，由一个文雅的科学家变成了的野生超级英雄的。原子核的放射性衰变是会形成自然的伽马射线形式。除了危险材料，你还得必须看已看不一样的地方，如黑洞附近或家附近大气上的闪电中找到能够使γ射线产生的自然力量

科学家们发现伽马射线，像绿巨人那样，是可以做类似英雄可以做到的那样，如果这种射线是可以控制的话。在医院中，现在根除癌症肿瘤，即在手术精度下使用“伽玛射线刀”。这种射线也可以使大脑活动图像化。伽玛射线被用来快速扫描集装箱中潜藏的危险物质。

但非放射性无知几乎无法产生γ射线。为了实现，需要一个巨大的粒子加速器，正像是欧洲核子研究中心或实验室的那样。还没有人能从激光中制造产生一个伽马射线。不过这是可能做到的，奥斯丁德克萨斯大学（UT）的科学家这样说。

根据研究的物理学家亚历克斯·瑞菲夫说，超级计算机可能有助于解开从激光中产生适合于桌面使用的γ射线的一种新方法，他在奥斯丁的聚变研究所和德克萨斯大学高能量密度科学中心有着双重研究职务。该项研究的合作者瑞菲夫说，“通过在自生电场中，增强由激光驱动的电子束发射的多兆电子伏（MeV）光子发射，”这种研究方法已经发表于《物理评论快报》杂志上。

“我们发现的一个关键结论是，激光脉冲可以有效地转化成一束很高能量的光子束，”瑞菲夫说。“他们是比激光脉冲束中的光子的能量超过一百万倍以上的光子。直到最近，还没有一种方法可以产生这样的高能光子束。因此，这种提出的方法可以为一些应用程序也为基础科学研究提供突破性的条件。”

瑞菲夫和其研究同时开启德克萨斯拍瓦激光器，这是一个在这个世界上最强大的激光器。他们将目标锁定在一块坚实的塑料体上，这个塑料体与一个小房间钻通，后者充满了塑料泡沫。模拟是在一个超级计算机上进行，即德克萨斯高级计算中心（TACC），模拟结果表明，激光穿过靶室而没有产生一个洞，就像阳光透过玻璃。一路上它激发了泡沫中的电子。这种高能电子粒子的等离子体，然后释放一个受控制的超高能光子束，即γ射线

这项研究的领导戴维·斯塔克说，“能够与德克萨斯拍瓦激光器的研究人员合作很兴奋，”这也是在德克萨斯大学奥斯汀分校进行的。“做这项研究的好处之一，是能够将等离子体物理与恰好在我们这栋楼的地下室的光学能力结合起来。”斯塔克当时是德克萨斯大学奥斯汀分校物理系的一名研究生，并自从完成了他的博士学位，他继续到洛斯阿拉莫斯国家实验室进行研究工作。

科学家们发现的不仅仅是辐射，这项研究的共同作者托马·汤加说。“概括地说，我们发现使用数值模拟的一个物理机制，我们将产生地球上有史以来产生的最高的磁场。另一个好处是，我们也会产生最强烈的伽玛射线源。”汤加是德州大学奥斯汀分校的高能量密度的科学中心副主任。

激光激发引起的超高能磁场是科学家描述目标“相对论透明度”的关键。例如，如果你把你的正常激光指向一块黑板，一些光线会反射，但主要是会被表面吸收。材料中的电子遵循激光场和短路的振荡，所以它不能在板内传播。

“在我们的案例中，”汤加解释说，“电子是越来越重，因为我们正在加速他们非常接近光速的速度。他们开始变得不动。他们对于激光的高振荡不再产生反应。突然，激光可以在目标内部传播，因为电子不能对激光产生阻碍作用了。”

除了相对论，实验的尺度是超乎人想象的。他们与一些世界上最强大的激光器合作工作，放大到一个拍瓦量级即亿千万瓦。光爆发出相比世界上所有电站总和还要高几百倍的能量。但这只持续了只有几百飞秒的时间，即十亿分之一秒的百万分之一。这是关于只要它能够穿过目标所需要的时间长度，其厚度只有1 / 100人类头发的厚度。

“在这个时间尺度上，我们需要能够解决其动态特性，”斯塔克说。“因为这就是我们如何理解发生过程中的物理过程的。我们需要在我们的动力学模拟中具有时间上和空间上非常高的分辨率上。”

科学家们一次又一次地转向计算机模拟的情况下，他们需要知道在数以千计、百万计、数十亿计的事件同时进行时到底发生了什么，因为每一件事都会影响到另一件事。在这里，他们使用英国开发的时代“粒子细胞“的代码，其中颗粒被建模为“块”，描述了更大的现实的等离子体系统的动态。三十亿激发态电子在无限小的时间步上进行推进仿真。

“要做到这一要求，我们需要能够使用许多的处理器同时为了使系统在一个有意义的时间长度上进行，并观察我们试图要找到的东西。这是一个重大的挑战，”斯塔克说。

“这就是为什么我们转向德克萨斯高级计算中心。我们开始用孤星4号。现在我们开始更多的使用Stampede超级计算机。我们使用的二维和三维模拟。我们正在使用成千上万的处理器，同时为所有这些模拟和运行他们的一天中更好的一部分。我们谈论的是成千上万，多达60000个处理器数个小时为处理一个模拟，只是为了获得所有的数据。因此，我们实际上需要使用德克萨斯高级计算中心的设施实现我们所要找的，”斯塔克说。

此外，当粒子穿过他们的等离子体时，它们产生的伽马射线光子粒子。“模拟中，粒子的数量急剧增加，”瑞菲夫说。“内存要求也很严格。Stampede超级计算机与额外的内存资源是很有帮助的。“然后一旦你完成了模拟，你会有很多的数据。即使只是一个二维输出，一个快照就会有几百兆。而3D数据输出的字节数会有几十个G。而你会有几十个这样的文件。”

在Stampede 和 Lonestar超级计算机上数以千百小时的计算时间，不仅需要计算也实现可视化和实现对于激光实验的数据处理，瑞菲夫说。

“超级计算机可以运行一天，但然后得到处理的数据，并整理数据后，以确定哪些电子发射什么光子，这是非常苛刻的要求。这之后，可视化会需要大量的时间。如果没有德克萨斯高级计算中心资源的帮助，我们是不可能实现这项研究的，”瑞菲夫说。

“对于我们的研究来说，位于德克萨斯高级计算中心的Stampede计算机的一个巨大的资产就是，你可以进行很多种运行，”汤加说。“你可以调整参数的变化，而这在过去是没有可能允许完成的。”

关于激光的先进计算，所开辟的一个另外的可能性即是，研究反物质的存在，使我们常见到的正常物质的某种镜像物质。当物质和反物质相遇时，它们会湮灭并产生伽马射线。瑞菲夫研究团队队想逆转这一过程。

“是有可能的，”瑞菲夫说，“你可以有一个伽玛射线的对撞机，直到最近来说，这似乎不可太可行能在地球上的实验室实现，碰撞两光束并产生实际物质。不只是一对的粒子，是有很多的粒子，”丰富的物质创造了世界上最大的科学实验室，甚至像欧洲核子研究中心。根据《对称性杂志》的报道，将花费超过一百万亿美元，才能制造出一克的反物质。

“就在光产生的真空中，应会有大量的物质，”瑞菲夫继续说道。“这可能会让人们在实验室中研究一些过程，是在宇宙中的许多现象的基础。”

“科学家们一般都是非常，非常好奇，”汤加说。“他们的好奇心驱使他们。在欧洲，有一个由欧盟赞助的激光研究的财团，建立了一个巨大的激光设施。这个巨大的激光设备，按照德克萨斯拍瓦激光器来说，会比我们在德州大学奥斯汀分校的大至少10倍。这是10个拍瓦激光器。他们有一个巨大的和广泛的科学案例，以能够资助许多这些设想的研究。”

汤加表示，他们在德克萨斯做的激光研究可以为欧盟的激光研究提出的更大科学问题铺平道路。“我认为我们的研究最重要的结果是，关于这个未来的10拍瓦激光器，我们现在实际上可以快速建立一个科学计划，”汤加说。

但德克萨斯科学家不只是要等待。基于模拟研究的利用德克萨斯拍瓦激光器的真实的测试，将由曼努埃尔教授和在奥斯丁高能量密度科学中心工作的托德教授负责于2016年内进行。“所以很快（在接受采访的时候），一个关于到目前为止我们进行理论预测的强度模型实验将首次进行测试，”瑞菲夫说。“这将是一个非常有趣的时刻，我们将会看到这些影响是否真的可以观测和测量。”

艾瑞费伍开玩笑说，他不想成为他自己成功的受害者。“我告诉这些家伙，要让我知道他们什么时候跑。伽玛射线是如此强烈，充满活力，他们甚至不需要去掉铝外壳就可以检测他们。所以在他们做这项实验的时候，我打算呆在家里，以防万一，”瑞菲夫说。

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