Физик теоретически обосновал гамма-лазер на позитронии

Физик опубликовал теоретические выкладки, согласно которым с использованием существующих технологий возможно создание высоких концентраций позитрониев внутри пузырей в жидком гелии. Получение такого вещества позволит начать эксперименты по вынужденной аннигиляции, которая приведет к генерации когерентного гамма-излучения, то есть будет представлять гамма-лазер, пишет автор в журнале Physical Review A.

Лазер — это устройство, которое генерирует когерентные электромагнитные волны. Такие колебания отличаются согласованностью амплитуды и фазы, что позволяет фокусировать их в небольшие области, при этом они способны распространяться на большие расстояния без значительного уширения пучка, а также обладать исключительно узкой полосой частот.

Условия для генерации когерентного излучения существенно отличаются для различных частотных диапазонов, из-за чего в узком смысле лазерами называют источники лишь видимого света или близких длин волн. В случае микроволновой области говорят о мазерах, а высокоэнергетическое излучение создают рентгеновские лазеры.

Нереализованной идеей пока что остается гамма-лазер, то есть излучение когерентных фотонов наиболее высоких энергий. Существует ряд теоретических концепций, которые в основном опираются на ядерный взрыв или работающий в импульсном режиме ядерный реактор в качестве источника энергии (накачки). Как правило, большинство таких вариантов в реальности будут одноразовыми, так как выделяющаяся энергия уничтожает всю установку.

Также предложена идея о накачке в виде аннигиляции электрон-позитронных пар. Для реализации этой задумки необходимо получать высокую частоту и плотную локализацию взаимодействий. Один из вариантов предполагает создание в пузырях из гелия-4 большой концентрации позитрониев, то есть связанных состояний из электрона и позитрона. Однако на практике этого продемонстрировано не было.

Одна из основных трудностей заключается в необходимости получения позитрониев с одинаковыми параметрами, чтобы можно было запустить контролируемую аннигиляцию. В идеале надо получить конденсат Бозе — Эйнштейна из этих частиц, который можно согласованно «схлопнуть» внешним воздействием. На данный момент в экспериментах было продемонстрировано существование отдельных позитрониев в пузырях жидкого гелия, а также одиночных электронов, их групп и атомов водорода.

Сотрудник Калифорнийского университета в Риверсайде Аллен Миллс (Allen Mills) привел новые расчеты, согласно которым первые эксперименты можно начать уже в ближайшее время. Из его вычислений следует, что существующие технологии позволяют получать пузыри с примерно 100 тысячами позитрониев в каждом, а экспериментальные методы смогут измерить их распределение импульсов, которое позволит убедиться в формировании квантового конденсата.

Создавать пузыри автор предлагает при помощи облучения алмазной пластины импульсами позитронов. Большинство частиц будет поглощено веществом, но около 20 процентов образует позитронии и попадет в жидкий гелий. При этом энергия получающихся частиц будет находиться в подходящем интервале от нуля до трех электронвольт. Из-за отрицательного сродства между гелием и позитронием последние сразу образуют маленькие пузыри, которые начнут сливаться, так как энергия больших меньше, чем у совокупности малых. Вычисления показывают, что времени порядка ста наносекунд должно хватить на образование пузырей, а теплопроводности жидкого гелия — для отвода излишков тепла.

Физик получил выражение для радиуса пузыря в зависимости от содержащегося в нем количества позитрониев и внешнего давления. При давлении в одну атмосферу и при количестве свыше 100 тысяч частиц должны получатся пузыри с почти постоянной концентрацией на уровне 1,3×10²⁰ позитрониев в кубическом сантиметре, причем критическая температура для этого вещества составит около 370 кельвин, что обеспечит высокую долю частиц в состоянии конденсата при низких температурах.

Отличить в опыте ситуацию с относительно малым количество пузырей с большим количеством частиц от большого количества маленьких пузырей можно будет по времени жизни. В первом случае оно должно быть близко к значению для вакуума (142 наносекунды), а во втором определяться взаимодействием с атомами гелия в стенке пузыря (91 наносекунда).

Доказать наличие конденсата можно будет при помощи магнитного поля: если включение внешнего поля на короткий промежуток времени (примерно 10 наносекунд) приведет к излучению фотонов от аннигиляции строго в противоположные стороны, то был получен конденсат. В то же время для распределения по импульсам для обычного состояния при температуре в 2 кельвина ожидается разброс углов с характерной величиной в 60 микрорадиан.

Ранее ученые теоретически обосновали получение гамма-лучей при помощи пластиковой мишени, предложили использовать лазер для общения с инопланетянами и убедились в высоком качестве кристаллических лазерных сред «из пробирки».

Тимур Кешелава