Сотрудники Института прикладной физики РАН и их коллеги из Нижегородского государственного университета провели теоретическое исследование процесса лавинообразного рождения электронов и позитронов в фокусе сверхмощного лазерного импульса, и нашли условия при которых достигаются рекордные плотности образующейся плазмы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.
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.
На данный момент лазерные технологии позволяют получать импульсы мощностью чуть более одного петаватта, или другими словами, одного квадриллиона ватт (10¹⁵ ватт). Для сравнения мощность излучения обычной лампочки равна всего лишь одному ватту, то есть современные 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 — в фокусе образуется сверхплотная электрон-позитронная плазма.
Таким образом, однако, нельзя получить вещество сколь угодно высокой плотности. Лазерное излучение не может проникать в плотную плазму, поэтому когда электронов и позитронов становится слишком много, они начинают отражать излучение, и процесс останавливается. По этой причине считалось, что в подобных экспериментах можно получить в лучшем случае около 10²⁴ частиц в кубическом сантиметре, что приблизительно равно концентрации электронов в тяжёлых металлах, например, золоте. В новой работе коллектив авторов, возглавляемых академиком РАН, профессором А. М. Сергеевым, показал, что при определённых условиях это число может быть, как минимум, в 10 раз больше.
Для этого, во-первых, был рассмотрен оптимальный метод фокусировки лазерного импульса — так называемая дипольная фокусировка. В этом случае лазерный импульс фокусируется в центр как бы со всех сторон сразу.
Структура дипольной волны. © E.S.Efimenko et al. // Scientific Reports
Технически это может быть получено путём разбиения изначального импульса на 12 частей, которые потом облучают точку фокуса со всех сторон. Оценки авторов показывают, что для наблюдения каскадов электронов и позитронов в этом случае потребуется суммарная мощность 12 петаватт, то есть по 1 петаватту в каждом луче — что уже умеют получать. Для сравнения если использовать для фокусировки 6 лучей, расположенных в вершинах шестиугольника, то их суммарная мощность для наблюдения лавины должна составлять 20 петаватт — больше 3 петаватт в каждом луче. А для 4 лучей, расположенных в вершинах квадрата, — 35 петаватт, то есть чуть меньше 9 петаватт в луче.
Оптимальная конфигурация 12 лазерных лучей для наблюдения электрон-позитронной лавины. © E.S.Efimenko et al. // Scientific Reports
Во-вторых, учёные предлагают работать в режиме так называемого аномального радиационного захвата. Обычно электроны и позитроны избегают находиться там, где поле велико и «захватываются» в областях, где поле слабое. Это называется обычным захватом. Однако при определённых условиях происходит ровно наоборот — частицы скапливаются в областях, где поле близко к максимальному. Именно это наблюдается в дипольной волне мощностью около 10 петаватт. Особо замечательным является то, что область захвата в этом случае оказывается чрезвычайно малой — даже меньше, чем длина волны используемого излучения, которая обычно равна 1 микрону.
И наконец, в-третьих, в ходе полномасштабного трёхмерного численного моделирования, проведённого на суперкомпьютере, авторы обнаружили, что возникающая в подобных условиях плазма оказывается неустойчивой. Если вначале она образует небольшой шарик, захваченный в фокусе лазеров, то через небольшой промежуток времени этот шарик распадается на тонкие радиальные слои, которые начинают сливаться друг с другом, пока не остаётся ровно два плазменных листа, развёрнутых друг относительно друга на 180 градусов. Именно в этих листах и наблюдается сверхвысокая концентрация частиц.
Структура плазмы в ходе взаимодействия. Слева — в начале образуется плотный шарик (показан красным), в центре — затем образуется набор плазменных листов, справа — в конце остаётся только два из них, развёрнутых на 180 градусов относительно друг друга. © E.S.Efimenko et al. // Scientific Reports
Авторы также проверили, как полученный результат зависит от неточности фокусировки 12 лучей и возможной ошибки их синхронизации — то есть возможности, что они приходят в фокус не одновременно. Оказалось, что случайный сдвиг каждого луча на 1/10 длину волны как в пространстве, так и во времени, приводит к уменьшению количества частиц в несколько раз, однако в целом не меняет характер взаимодействия.
Сложностью на пути к получению сверхплотных сгустков плазмы является и то, что развитие неустойчивости и последующие слияния плазменных листов требуют времени, в то время как длительность лазерных импульсов в подобных системах относительно мала. Для решения этой проблемы авторы предлагают использовать искусственно созданные неоднородности — в мишени или распределении лазерной мощности, — которые станут «затравкой» для плазменных листов, и приведут к более быстрому их образованию.
На данный момент лазерных систем, способных реализовать предложенный авторами эксперимент, не существует, однако их возможное строительство активно обсуждается. В частности, Правительство РФ поддержало проект XCELS по созданию лазерной системы общей мощность 100 петаватт. По плану эта система должна содержать как раз 12 лазерных каналов. Этот проект стал одним из шести, поддержанных в рамках программы поддержки международных научных мегапроектов, однако его реализация пока не началась.
Помимо фундаментального интереса к подобным экстремальным состояниям вещества, существует интерес к ним как к сверхъярким источникам гамма-излучения, востребованного в ядерной физике. Проведённые авторами оценки показывают, что образовавшиеся сверхплотные сгустки плазмы за время своего существования должны излучать порядка 10⁹ фотонов с энергией больше 1 ГэВ. Подобные высокоэнергичные фотоны сейчас получают только в комптоновских источниках на специализированных ускорителях электронов. Для сравнения, один из самых ярких из них, LEPS на синхротроне SPring-8, позволяет получать порядка 10⁶ фотонов в секунду.
Читайте также
Создан лазер с самой высокой пиковой мощностью
Не думай о фемтосекундах свысока
Можно ли воздействовать на свет электрическим полем?
Подписывайтесь также на мой канал в Telegram!