Теперь интригующие расчеты группы исследователей из Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН), опубликованные на этой неделе в Physics of Plasmas от AIP Publishing, объясняют образование и динамику электронов и позитронов из сверхвысоких частот. интенсивность взаимодействия лазерного излучения с веществом. Другими словами: они рассчитали, как создавать материю и антивещество с помощью лазеров.
Сильные электрические поля заставляют электроны испытывать огромные радиационные потери, поскольку значительная часть их энергии преобразуется в гамма-лучи — фотоны высокой энергии, которые являются частицами, из которых состоит свет. Фотоны высокой энергии, создаваемые этим процессом, взаимодействуют с сильным лазерным полем и создают электронно-позитронные пары. В результате возникает новое состояние материи: сильно взаимодействующие частицы, оптические поля и гамма-излучение, динамика которых определяется взаимодействием между явлениями классической физики и квантовыми процессами.
Ключевая концепция, лежащая в основе работы команды, основана на предсказании квантовой электродинамики (КЭД), что «сильное электрическое поле может, вообще говоря,« кипятить вакуум », который полон« виртуальных частиц », таких как электронно-позитронные пары, — пояснил Игорь Костюков из ИПФ РАН. «Поле может преобразовать эти типы частиц из виртуального состояния, в котором частицы не наблюдаются напрямую, в реальное».Одним из впечатляющих проявлений этого типа феномена КЭД является самоподдерживающийся каскад КЭД с лазерным управлением, который представляет собой серьезную проблему, которую еще предстоит наблюдать в лаборатории.Но что такое каскад QED?
«Думайте об этом как о цепной реакции, в которой каждое звено цепи состоит из последовательных процессов», — сказал Костюков. «Он начинается с ускорения электронов и позитронов в лазерном поле. За этим следует испускание фотонов высокой энергии ускоренными электронами и позитронами. Затем при распаде фотонов высокой энергии образуются электрон-позитронные пары, которые переходят в новые поколения каскадных частиц. Каскад КЭД приводит к лавинообразному образованию электрон-позитронной фотонной плазмы высокой энергии ».
Для этой работы исследователи исследовали взаимодействие очень интенсивного лазерного импульса с фольгой с помощью численного моделирования.«Мы ожидали произвести большое количество фотонов высокой энергии, и что некоторая их часть будет распадаться с образованием электронно-позитронных пар», — продолжил Костюков. «Нашим первым сюрпризом было то, что количество высокоэнергетических фотонов, производимых позитронами, намного больше, чем количество фотонов, производимых электронами фольги. Это привело к экспоненциальному — очень резкому — росту количества позитронов, что означает что если мы обнаружим большее количество позитронов в соответствующем эксперименте, мы можем сделать вывод, что большинство из них генерируются в каскаде КЭД ».
Они также смогли наблюдать отчетливую структуру распределения позитронов в моделировании, несмотря на некоторую случайность процессов испускания и распада фотонов.«Аналитически проанализировав движение позитронов в электромагнитных полях перед фольгой, мы обнаружили, что некоторые характеристики движения регулируют распределение позитронов и привели к спиралевидным структурам, наблюдаемым при моделировании», — добавил он.Открытия группы имеют фундаментальное значение, потому что исследованное ими явление может сопровождать взаимодействие лазера с веществом при экстремальной интенсивности в более широком диапазоне параметров. «Это позволяет по-новому взглянуть на свойства этих типов взаимодействий», — сказал Костюков. «Более практические приложения могут включать развитие передовых идей лазерно-плазменных источников высокоэнергетических фотонов и позитронов, яркость которых значительно превышает яркость современных источников».
До сих пор исследователи сосредоточились на начальной стадии взаимодействия, когда электронно-позитронные пары, которые они создали, не оказывают существенного влияния на взаимодействие лазера с мишенью.«Затем мы исследуем нелинейную стадию, когда самогенерирующаяся электронно-позитронная плазма сильно изменяет взаимодействие», — сказал он. «И мы также попытаемся расширить наши результаты на более общие конфигурации взаимодействий лазера с веществом и другие режимы взаимодействий, принимая во внимание более широкий диапазон параметров».