Российские ученые 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 опубликованы в Scientific Reports.
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 ученые надеются достичь необходимой силы поля в фокусе лазеров, что 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. 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 рожденные частицы будут излучать гамма-фотоны, которые будут рождать новые электроны и позитроны. В результате количество частиц за короткое время вырастает до огромных значений и 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 до сих пор считалось, что в подобных экспериментах можно получить в лучшем случае около 1024 частиц в кубическом сантиметре, что приблизительно равно концентрации электронов в тяжелых металлах, например, золоте. Группа ученых из Института прикладной физики РАН и Нижегородского госуниверситета под руководством Александра Сергеева показала, что при определённых условиях это число может быть, как минимум, на порядок 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.
Технически это может быть получено путем 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 петаватту в каждом луче — что уже достижимый показатель. 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.
Во-вторых, ученые 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 определенных условиях происходит обратное явление — частицы скапливаются в областях, где поле близко к максимальному. Именно это наблюдается в дипольной волне мощностью около 10 петаватт. Особо примечательно то, что область захвата в таком случае оказывается чрезвычайно малой — даже меньше, чем длина волны используемого излучения, которая обычно равна одному микрону.
В-третьих, в ходе полномасштабного трехмерного численного моделирования, проведенного 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 остается ровно два плазменных листа, развернутых друг относительно друга на 180 градусов. Именно в этих листах и наблюдается сверхвысокая концентрация частиц.
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.
Сложность на пути к получению сверхплотных сгустков плазмы также заключается в том, 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, 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. Проведенные 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.
Артём Коржиманов