Группа физиков из Нижнего Новгорода, Швеции и Великобритании предложили новый метод генерации гамма-излучения рекордно высокой яркости. Источником такого излучения служит электрон-позитронная плазма, создаваемая лазерными импульсами сверхвысокой мощности. Если эта идея будет реализована, то ядерная физика получит инструмент с уникальными характеристиками. Статья была опубликована в журнале Physical Review X. Её препринт доступен на сайте arxiv.org.
Сотрудники Института прикладной физики РАН и их коллеги из Нижегородского государственного университета, Технического университета Чалмерса в Швеции и Плимутского университета в Великобритании провели теоретическое исследование процессов рождения электронов и позитронов в фокусе сверхмощного лазерного импульса, а также излучения ими гамма-фотонов, и показали, что существуют условия, при которых такая система является гамма-источником рекордной яркости. Такой источник может быть востребован в ядерной физике и промышленности.
Одним из замечательных эффектов квантовой физики является возможность рождения одних частиц из других. Например, частица света фотон, пролетая в сильном электрическом или магнитном поле, может превратиться в электрон и позитрон. Для наблюдения этого эффекта, однако, требуются чрезвычайно сильные поля, поэтому в экспериментах рождение электрон-позитронных пар наблюдалось пока только вблизи атомных ядер с высоким электрическим зарядом. Но в ближайшем будущем учёные надеются достичь необходимой силы поля в фокусе лазеров. Это откроет новые возможности как для изучения фундаментальных законов квантовой физики, так и для практических приложений.
Одним из таких приложений является создание гамма-источников. С их помощью можно было бы инициировать процессы в атомных ядрах. В так называемых фотоядерных процессах под действием гамма-кванта ядро переходит в новое состояние. Затем оно возвращается обратно, в исходное состояние, излучая другой гамма-фотон. По этому фотону учёные могут судить о том, как устроено ядро.
На данный момент лазерные технологии позволяют получать импульсы мощность чуть более одного петаватта, или другими словами, одного квадриллиона ватт (10¹⁵ ватт). Например, недавно китайским учёным удалось создать лазер с рекордной мощностью в почти 5 петаватт. Для сравнения мощность излучения обычной лампочки равна всего лишь одному ватту, то есть такие лазеры ярче лампочек в один квадриллион раз. В фокусе такого лазера вещество мгновенно сгорает, образуя плазму.
Ожидается, что следующее поколение лазерных систем достигнет мощности в 10 петаватт, при которой находящиеся в фокусе частицы начнут излучать гамма-фотоны с энергией, достаточной для того, чтобы в поле того же лазерного импульса могли родиться электроны и позитроны. При этом процесс будет носить характер лавины: вновь рождённые частицы будут излучать гамма-фотоны, которые будут рождать новые электроны и позитроны. В результате количество частиц за короткое время должно вырастить до огромных значений. Столь же велико будет и количество гамма-фотонов, которые они испускают, — будет получен ультраяркий источник гамма-излучения.
Эта относительно простая схема имеет, однако, ряд проблем. В частности, лазерное излучение не может проникать в плотную плазму, поэтому когда частиц станет слишком много, процесс остановится, и источник не будет таким ярким, как хотелось бы. Кроме того, при высоких мощностях частицы, двигаясь в лазерном поле и набрав немного энергии, испускают гамма-фотоны и теряют эту энергию, что мешает получить частицы максимально возможной энергии.
Решение этих двух проблем и было предложено в обсуждаемой работе. Для этого, во-первых, был рассмотрен оптимальный метод фокусировки лазерного импульса — так называемая дипольная фокусировка. Технически она может быть получена путём разбиения изначального импульса на 12 частей, которые потом облучают точку фокуса со всех сторон. Оптимальность такой конфигурации с точки зрения получения максимального количества электрон-позитронных пар при той же мощности излучения была показана этой же группой ранее.
Во-вторых, учёные предлагают работать в режиме так называемого аномального радиационного захвата. Обычно частицы избегают находиться там, где поле максимально и «захватываются» в областях, где поле мало. Это называется обычным захватом. Однако, как было обнаружено недавно теми же авторами, при определённых условиях происходит ровно наоборот — частицы скапливаются в областях, где поле велико. Это, правда, происходит при мощности лазерного излучения порядка 100 петаватт, но аномальный захват частично наблюдается и при меньшей мощности. Частицы, захваченные в области большого поля, излучают гамма-фотоны намного лучше, что приводит к увеличению яркости источника.
И наконец, в-третьих, авторы работы показали, что при заданной мощности можно так подобрать длительность лазерного импульса, что его взаимодействие с образующейся плазмой будет происходить в наиболее оптимальном режиме — когда плазма уже достаточно плотная и в ней много частиц, но ещё не слишком много, чтобы заметно выталкивать лазерный импульс.
Свои идеи авторы подтвердили полномасштабным трёхмерным численным моделированием, проведённом на суперкомпьютере. Оно показало, что при оптимальных параметрах лазерные импульсы мощностью 40 петаватт могут создать источник гамма-фотонов, который на несколько порядков ярче всех существующих альтернатив.
Ниже показан пример численного моделирования, проведённого учёными.
Одним из возможных мест, где может быть создана такая лазерная система, является Нижний Новгород. Здесь в Институте прикладной физики РАН функционирует лазерный комплекс PEARL, который является самым мощным в России и одним из самых мощных в мире. Кроме того, здесь же предложено реализовать проект XCELS по созданию лазера мощность 100 петаватт. Этот проект стал одним из шести, поддержанных Правительством РФ в рамках программы поддержки международных научных мегапроектов, однако его реализация пока не началась.
Читайте также
Создан лазер с самой высокой пиковой мощностью
Создан источник мульти-МэВных гамма-фотонов с рекордной пиковой яркостью
Не думай о фемтосекундах свысока
Можно ли воздействовать на свет электрическим полем?
Подписывайтесь на мой канал в Telegram
