Физики под руководством Алексея Арефьева из Университета Техаса в Остине предложили новую схему для получения интенсивных пучков гамма-лучей. В теоретической работе авторы показали, что в роли их источника может выступать пластиковая мишень, которую облучают петаваттным инфракрасным лазером. В результате облучения, по данным ученых, возникнет облако ускоряемой плазмы, формирующее импульсные магнитные поля с индукцией в сотни тысяч тесла. Разработка может найти применение как в оборонной промышленности, для поиска взрывчатки в закрытых контейнерах, так и в фундаментальных исследованиях астрофизических процессов. Работа опубликована в журнале* Physical Review Letters* (препринт), кратко о ней сообщает Physics.**

Ученые моделировали взаимодействие импульса лазера с мишенью, богатой атомами углерода, например, пластиковой. Плотность мощности излучения, рассмотренная авторами, достигала 5×10²² ватт в одном квадратном сантиметре пучка — такой величины нельзя достигнуть даже если сфокусировать весь свет от Солнца, падающий на Землю, на острие карандаша. Однако, по словам авторов, уровень современных технологий позволяет получать такое излучение искусственно.

Черным обозначена траектория электрона, двигающегося внутри канала, проделанного лазером, белые точки — моменты, когда электрон испустил фотоны синхротронного излучения. Задний фон отражает количество событий испускания синхротронного излучения с энергиями свыше 30 мегаэлектронвольт. D. J. Stark et al. / arXiv.org, 2015

При облучении вещества светом такой интенсивности происходит ионизация атомов и образуется облако плазмы, глубина проникновения излучения при этом достигает десятков микрометров. Лазер увлекает за собой электроны, что, как оказалось, порождает сильное магнитное поле — до 0,4 мегатесла. Заряженные частицы движутся в этом поле по зигзагообразным траектории, что приводит к испусканию ими синхротронного излучения, энергии которого соответствуют гамма-частицам — вплоть до десятка мегаэлектронвольт. Для сравнения, энергия используемых для рентгенографии фотонов в сотни раз меньше.

Карта генерации синхротронного излучения в образце (красные точки — события испускания излучения). Оранжевым и синим обозначено магнитное поле, зеленым — концентрация электронов. D. J. Stark et al. / arXiv.org, 2015

Авторы отмечают, что если образец однороден, то направление, в котором будут вылетать гамма-фотоны, невозможно предсказать — оно может быть неустойчиво. Поэтому физики провели еще одно теоретическое моделирование для неоднородной мишени, в которой на пути луча расположена цилиндрическая область с менее плотным (например, губчатым) веществом. По словам исследователей, эта область после действия лазерного импульса становится полностью прозрачной, в отличие от более плотного окружения. Это стабилизирует направление пучка порождаемых фотонов.

Взаимодействие лазерного импульса с неоднородным образцом. D. J. Stark et al. / arXiv.org, 2015

Независимые эксперты отмечают, что магнитные поля, полученные авторами в компьютерном эксперименте, по меньшей мере в 10 раз больше, чем реально наблюдавшиеся в реальных экспериментах с плазмой. Однако проделанные вычисления заслуживают доверия, отмечает Тони Белл, физик из Университета Оксфорда. Если предложенный метод окажется работоспособным, то мощность потока гамма-лучей, генерируемых с его помощью, будет чрезвычайно высокий. Сами авторы оценивают эту величину в десятки тераватт при мощности инициирующего лазера в один петаватт.

Автор: Владимир Королёв