Группа ученых из Института прикладной физики РАН и Нижегородского государственного университета во главе с академиком РАН А.М. Сергеевым показала путь к созданию электрон-позитронной плазмы, по плотности в десятки раз превышающей ту, что считалось возможным получить ранее. Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.
Динамика развития неустойчивости в электрон-позитронной плазме.
Слева — распределение плотности в начале взаимодействия,
в центре — образование нескольких тонких листов,
справа — конечный этап эволюции, образование двух листов.
© Пресс-служба ННГУ
Обычно аннигиляция частицы и античастицы порождает фотон с высокой энергией. Возможен и противоположный процесс, когда из фотона большой энергии в сильном электрическом или магнитном поле рождается пара частиц — электрон и позитрон (антиэлектрон). Правда, для появления реальной пары частиц закон сохранения энергии требует, чтобы ее затраты на этот процесс превышали удвоенную массу частицы. Однако достаточно сильное внешнее поле может обеспечить ввод дополнительной требуемой энергии.
До сих пор эффект рождения электрон-позитронных пар в лабораторных условиях наблюдался в основном при пропускании гамма-излучения сквозь кристаллы, в которых поля необходимой для этого величины уже существуют вблизи атомных ядер. Проблема в том, что параметры такого поля жестко заданы параметрами кристаллов и ими трудно управлять. Высокую плотность рождения пар на кристаллах не получить. Поэтому уже в ближайшие годы ученые планируют создать принципиально новый инструмент, способный «рождать» пару частица-античастица. Речь идет о лазерах, способных генерировать сверхкороткие импульсы мощностью более 10 квадриллионов ватт (петаватт или 10¹⁵ ватт).
В ряде теоретических работ ранее предполагалось, что в фокусе лазерной установки при этом будут рождаться не отдельные пары электронов и антиэлектронов, а целые электрон-позитронные лавины. Рожденные при распаде гамма-фотона пары (электрон и позитрон) будут ускоряться лазерным полем и при наборе энергии излучать новые гамма-фотоны. Те, в свою очередь, будут рождать новые пары электронов и позитронов и так далее. В результате количество частиц в фокусе лазерной установки за очень короткое время должно вырасти до огромных значений — сверхплотной электрон-позитронной плазмы.
Долгое время вопрос был в том, какую именно предельную плотность плазмы так можно получить. Существовавшие оценки говорили, что концентрация частиц в фокусе лазера будет немногим больше 10²⁴ (септиллиона) на кубический сантиметр. Это сравнимо с наиболее плотными металлами — примерно столько же электронов в кубическом сантиметре платины или золота.
Чтобы прояснить вопрос, авторы новой работы использовали детальное трехмерное моделирование процесса развития электрон-позитронной лавины в сильно сфокусированном лазерном поле. Для этого они использовали моделирование с помощью программного обеспечения PICADOR, разрабатываемого совместно ИПФ РАН и ННГУ. Оказалось, что при определенных условиях плотность частиц в электрон-позитронной плазме, получаемой с помощью лазера, может быть в десятки раз больше септиллиона частиц на кубический сантиметр, то есть в десятки раз выше ожидавшейся.
В моделировании ученые исследовали особую конфигурацию лазерного поля — дипольную фокусировку. Лазерное излучение в этом случае облучает точку фокуса как бы со всех сторон. Именно такая конфигурация является оптимальной с точки зрения мощности излучения, необходимой для наблюдения лавины.
Конфигурация из 12 лазерных пучков, имитирующая сходящуюся дипольную волну.
Вдоль оси симметрии из фокуса вылетают пучки
электронов и позитронов, а также гамма-фотоны.
© Пресс-служба ННГУ
Лавинообразные процессы рождения частиц позволяют развиться в плазме токовой неустойчивости, и в итоге она вырождается в два тонких слоя, ориентированных под случайным углом. Толщина слоев и концентрация частиц в них ограничиваются только случайностью процесса излучения. А это значит, что в ряде случаев плотность плазмы будет иметь экстремальные значения. К сожалению, верхний предел такой плотности трудно установить моделированием. Но точно ясно, что при полном числе частиц порядка 10¹¹ их плотность превзойдет значение 10²⁶ (ста септиллионов) частиц на кубический сантиметр.
Новая работа имеет принципиальное значение для понимания границы возможного для петаваттных сверхмощных лазерных установок будущего. Сегодня их еще не существует, однако их строительство активно обсуждается. Правительство России поддержало проект XCELS по созданию 12-канальной лазерной системы общей мощностью 100 петаватт, хотя его реализация пока и не началась.
Структура поля в дипольной волне
© Пресс-служба ННГУ
Моделирование российских ученых показало, что плазма, порождаемая такими установками, намного плотнее, чем считалось ранее. Это значит, что с ее помощью можно приблизиться к пониманию астрофизических процессов, протекающих в звездах главной последовательности и, возможно, еще более плотных объектах. До сих пор исследователи не располагали такими возможностями на Земле. Вероятно, при этом получится и подробнее изучить процесс рождения элементарных частиц.
Источник: chrdk.ru
