Новости

6 марта, 2018 13:17

Нижегородские 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.
Фото: nplus1.ru
Фото: структура дипольной волны. Источник: Evgeny Efimenko et al., / Scientific Reports, 2018
Фото: оптимальная конфигурация 12 лазерных лучей для наблюдения электрон-позитронной лавины. Источник: Evgeny Efimenko et al., / Scientific Reports, 2018
Фото: Структура плазмы в ходе взаимодействия. В начале образуется плотный шарик (показан красным, слева), затем образуется набор плазменных листов (в центре), в конце остаётся только два из них, развернутых на 180 градусов относительно друг друга (справа)
3 / 4
Фото: nplus1.ru
Фото: структура дипольной волны. Источник: Evgeny Efimenko et al., / Scientific Reports, 2018
Фото: оптимальная конфигурация 12 лазерных лучей для наблюдения электрон-позитронной лавины. Источник: Evgeny Efimenko et al., / Scientific Reports, 2018
Фото: Структура плазмы в ходе взаимодействия. В начале образуется плотный шарик (показан красным, слева), затем образуется набор плазменных листов (в центре), в конце остаётся только два из них, развернутых на 180 градусов относительно друг друга (справа)

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.

14 июня, 2024
Обнаружен эффективный способ предсказания развития отдаленных метастазов при раке молочной железы
Ученые НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН обнаружили ...
14 июня, 2024
Природная аптека: ученые открыли способность растительных пигментов усиливать действие противогрибкового препарата
Российские ученые выяснили, что природные растительные пигменты флавонолы способны в несколько раз у...