Нижегородские ученые теоретически нашли условия, при которых лавинообразное рождение электронов и позитронов в фокусе сверхмощного лазерного импульса приводит к возникновению плазмы рекордно высокой плотности. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports (https://www.nature.com/…s/s41598-018- 20745-y).

Известным фактом из квантовой физики является возможность превращения одних частиц в другие. В частности, в достаточно сильном электрическом или магнитном поле гамма-фотон может распасться на две частицы — электрон и позитрон. До сих пор этот эффект в лабораторных условиях наблюдался в основном при пропускании гамма-излучения сквозь кристаллы, в которых поля необходимой величины существуют вблизи атомных ядер. Однако уже в ближайшие годы ученые могут получить новый инструмент для изучения этого явления — лазеры, способные генерировать короткие импульсы мощностью более 10 петаватт (1 петаватт = 10 15 ватт = 1 квадриллион ватт).

Ожидается, что в фокусе лазерной установки при этом будут наблюдаться целые электрон-позитронные лавины: рожденные в результате распада гамма-фотона частицы будут ускоряться лазерным полем и излучать гамма-фотоны, которые в свою очередь будут рождать новые электроны и позитроны. В результате количество частиц за короткое время должно вырастить до огромных значений — образуется сверхплотная электрон-позитронная плазма.

Существуют, однако, ограничения на плотность плазмы, которую можно получить подобным образом. В некоторый момент лазерное излучение не сможет проникать в слишком плотную плазму, и рост лавины остановится.

Существовавшие оценки говорили, что концентрация частиц в фокусе лазера будет немногим больше 10 24 частиц в кубическом сантиметре. Для сравнения приблизительно столько же электронов содержится в тяжелых металлах, например, платине или золоте.

В новой работе коллектив авторов из Института прикладной физики РАН и Нижегородского государственного университета, возглавляемый академиком РАН, профессором А. М. Сергеевым, показал, что при определенных условиях это число может быть в десятки раз больше. Для этого они провели масштабное численное моделирование процесса развития электрон-позитронной лавины в сильно сфокусированном лазерном поле.

«Основной сложностью в исследовании было то, что основные результаты могли быть получены только из трехмерного моделирования, которое является очень ресурсозатратным, — рассказывает один из авторов работы, младший научный сотрудник Института прикладной физики РАН Евгений Ефименко. — Помимо потребности в вычислительных ресурсах, подобные задачи требуют надежных вычислительных кодов с продвинутыми алгоритмами, в данном конкретном случае, это алгоритмы по моделированию электрон-позитронных лавин. В нашей работе мы использовали код PICADOR, разрабатываемый совместно сотрудниками ИПФ РАН и ННГУ».

В моделировании ученые исследовали особую конфигурацию лазерного поля, которая носит название дипольной фокусировки. Лазерное излучение в этом случае облучает точку фокуса как бы со всех сторон. Ранее было показано, что такая конфигурация является оптимальной с точки зрения мощности излучения, необходимой для наблюдения лавины.

«Мы представляем принципиально новый объект исследования – стационарные или квазистационарные состояния плотной электрон-позитронной плазмы, — продолжает Евгений Ефименко.  — Эти стационарные состояния имеют очень интересную и неожиданную структуру. В то время как лазерное поле в форме дипольной волны имеет аксиальную симметрию, распределение электрон-позитронной плазмы в результате развития токовой неустойчивости вырождается в два тонких слоя, ориентированных под случайным углом. Толщина слоев и концентрация частиц в этих слоях, по-видимому, ограничивается только случайностью процесса излучения, что приводит к экстремальным значениям плотности плазмы. При полном числе частиц порядка 10 11 плотность превосходит значение 10 26 частиц в кубическом сантиметре, и ограничивалась в нашем случае только разрешением численного моделирования».

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 12-канальной лазерной системы общей мощность 100 петаватт. Этот проект стал одним из шести, поддержанных в рамках программы поддержки международных научных мегапроектов, однако его реализация пока не началась.

«В нашей работе мы демонстрируем возможность формирования подобных состояний на перспективных лазерных установках, таких как XCELS или ELI, с использованием вполне достижимой суммарной мощности в 10–12 петаватт, — отмечает Евгений Ефименко. — Это достигается благодаря моделированию структуры электро-дипольной волны системой из 12 специальным образом ориентированных лазерных пучков. Таким образом, мощность одного пучка в данной системе сравнима с 1 петаваттом, что уже сейчас доступно в нескольких лабораториях. Конечно, задача фокусировки и синхронизации 12 петаваттных пучков это отдельная и сложная техническая задача, но наши оценки показывают, что в данном случае не требуется какой-то сверхточной фокусировки лазерного излучения».

Основной интерес к подобным исследованиям лежит в области фундаментальной науки.

«Изучая подобные плотные объекты, мы можем приблизиться к пониманию процессов, происходящих в астрофизических объектах, а также, возможно, изучить процессы рождения элементарных частиц», — поясняет Евгений Ефименко.

В дальнейшем авторы планируют изучить развитие электрон-позитронных лавин в аналогичной конфигурации, но при более высоких мощностях.

«Для задачи с большей мощностью есть основания ожидать еще более интересные режимы  взаимодействия», — заключает Евгений Ефименко.

Структура поля в дипольной среде

Конфигурация из 12 лазерных пучков, имитирующая сходящуюся дипольную волну. Вдоль оси симметрии из фокуса вылетают пучки электронов и позитронов, а также гамма-фотоны.

Динамика развития неустойчивости в электрон-позитронной плазме. Слева – распределение плотности в начале взаимодействия, в центре – образование нескольких тонких листов, справа – конечный этап эволюции.

Работа была проведена при финансовой поддержке Российского научной фонда (грант № 16–12–10486) и Министерства образования и науки РФ (договор № 14.W03.31.0032).

Автор: А. Коржиманов , старший научный сотрудник ИПФ РАН*