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 = 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.
