Нижегородские ученые предложили способ получения электрон-позитронной плазмы экстремально высокой плотности

Ученые
предложили способ получения электрон-позитронной плазмы экстремально высокой
плотности

Учёные
из
Федерального исследовательского центра Институт
прикладной физики РАН совместно с коллегами
из Нижегородского
государственного университета (далее – ННГУ)
нашли условия, при которых лавинообразное рождение
электронов и позитронов в фокусе сверхмощного лазерного импульса приводит к
возникновению плазмы рекордно высокой плотности.

Результаты
исследования опубликованы в Scientific Reports.
Работа
проводилась при финансовой поддержке РНФ и Минобрнауки России.

В достаточно сильном
электрическом ил 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 =  10¹⁵ 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 за короткое время количество частиц
должно вырасти до огромных значений, что приведёт к образованию сверхплотной
электрон - позитронной плазмы.

Существуют 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 10²⁴ частиц в кубическом сантиметре.
Для сравнения приблизительно столько же электронов содержится в тяжелых
металлах, например, платине или золоте, но коллектив авторов из ФИЦ Институт
прикладной физики РАН и Нижегородского государственного университета 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, — рассказал один из авторов работы, младший научный
сотрудник ФИЦ Институт 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 Федерального исследовательского центра
Института прикладной физики 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, 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 10¹¹
плотность превосходит значение 10²⁶ частиц в кубическом сантиметре,
и ограничивалась в нашем случае только разрешением численного моделирования» - пояснил
Евгений Ефименко.

На данный момент лазерных
систем, способных реализовать предложенный авторами эксперимент не существует, однако
их возможное строительство активно обсуждается. В частности, Правительство Российской
Федерации поддержало проект XCELS по созданию 12-канальной лазерной системы
общей мощность 100 петаватт. Этот проект стал одним из шести, которые планируется
реализовать в рамках программы поддержки международных научных мегапроектов,
однако его реализация пока не началась.

Результаты исследований могут
приблизить к пониманию процессов, происходящих в астрофизических объектах, а также
могут помочь изучить процессы рождения элементарных частиц. В дальнейшем авторы
планируют изучить развитие электрон-позитронных лавин в аналогичной
конфигурации, но при более высоких мощностях.

Ссылка на источник: http://fano.gov.ru/ru/press-center/card/?id_4=39698