黑洞和中子星是宇宙中已知的最致密的物体之一。在这些极端的天体物理环境内部和周围存在等离子体，这是除固体、液体和气体之外的物质的第四种基本状态。具体来说，这些极端条件下的等离子体被称为相对论电子-正电子对等离子体，因为它们由一组电子和正电子组成——它们都以接近光速的速度飞行。

尽管这种等离子体在深空条件下普遍存在，但在实验室环境下产生它们却极具挑战性。

现在，包括罗彻斯特大学激光 能量学实验室(LLE)研究人员在内的国际科学家团队首次 通过实验生成了高密度相对论电子-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。该 团队的 研究成果 发表在 《自然通讯》上。

这一突破为后续实验打开了大门，这些实验可能会对宇宙的运作产生根本性的发现。

“实验室中生成由物质、反物质和光子组成的等离子体&luo;火球&ruo;是高能密度科学的前沿研究目标，”论文第一作者、牛津大学物理学家查尔斯·阿罗史密斯 (Charles Arrowsmith) 表示，他将于今年秋季加入 LLE。“但实验中难以产生足够多的电子-正电子对，到目前为止，我们的理解仅限于纯理论研究。”

罗切斯特的研究人员 Dustin Froula(LLE 等离子体和超快激光科学与工程部门主任)和 Daniel Haberberger(LLE 的研究员)与 Arrowsmith 和其他科学家合作，设计了一项新颖的实验，利用 位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心 (CERN) 的超级质子同步加速器 (SPS) 加速器的HiRadMat 设施。

该实验利用来自 SPS 加速器的 1000 多亿个质子产生了极高产量的准中性电子-正电子对束。每个质子的动能是其静止能量的 440 倍。由于动量如此之大，当质子撞击原子时，它有足够的能量释放其内部成分——夸克和胶子——然后它们立即重新结合产生簇射，最终衰变为电子和正电子。

换句话说，他们在实验室中产生的光束具有足够多的粒子，开始表现得像真正的天体物理等离子体。

阿罗史密斯说：“这为实验室天体物理学开辟了一个全新的领域，使我们可以通过实验探索伽马射线暴或耀变体喷流的微观物理。”

该团队还开发了修改对光束发射率的技术，从而可以对天体物理系统的缩放类似物中的等离子体相互作用进行控制研究。

“卫星和地面望远镜无法看到这些遥远物体的最小细节，到目前为止，我们只能依靠数值模拟。我们的实验室工作将使我们能够测试那些通过非常复杂的计算得出的预测，并验证宇宙火球如何受到稀薄的星际等离子体的影响，”共同作者、牛津大学物理学教授詹卢卡·格雷戈里 (Gianluca Gregori) 说道。

此外，他补充道：“这一成就凸显了世界各地实验设施之间交流与合作的重要性，特别是因为它们在接触日益极端的物理环境方面取得了新突破。”

除了 LLE、牛津大学和 欧洲核子研究中心外，这项研究的合作机构还包括英国科学与技术设施委员会卢瑟福·阿普尔顿实验室 (STFC RAL)、思克莱德大学、英国原子武器研究中心、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、马克斯·普朗克核物理研究所、冰岛大学和葡萄牙高等技术学院。

研究小组的发现是在通过对撞超高强度激光来推进等离子体科学的持续努力中取得的，这项研究的途径将利用 美国国家科学基金会的 OPAL 设施进行探索。