Ученые из Федерального исследовательского центра Институт прикладной физики РАН совместно с коллегами из Нижегородского государственного университета 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 = 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 за короткое время количество частиц должно вырасти до огромных значений, что приведет 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 10 24 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 Нижегородского государственного университета".

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 10 11 плотность превосходит значение 10 26 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.

Источники

Ученые предложили способ получения электрон-позитронной плазмы экстремально высокой плотности
Федеральное агентство научных организаций (fano.gov.ru), 05/03/2018

Похожие новости

  • 05/04/2018

    Российские ученые создали первый «настоящий» 3D-принтер

    ​Российские биологи и физики создали уникальные наночастицы, позволяющие печатать трехмерные структуры произвольной формы и любых размеров в один присест с помощью обычного инфракрасного лазера.
    296
  • 25/05/2018

    Ученые обнаружили новый тип полуметаллов

    ​Российские ученые впервые описали топологическую электронную структуру моносилицида кобальта и обнаружили, что материал относится к новому типу полуметаллов. Результаты исследования описаны в журнале Journal of Physics: Condensed Matter.
    172
  • 29/12/2017

    Топ-20 наиболее интересных разработок сибирских ученых в 2017 году

    На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-20  сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2017 года, размещенных на нашем портале.
    764
  • 10/05/2018

    ​Российские ученые разработали новый тип оптического волокна для лазеров

    ​Российские физики разработали новый тип оптического волокна для лазеров, излучающих в области 1,6–1,8 микрометров, и изучили его уникальные характеристики. Работа проводится впервые в мире, а ее результаты опубликованы в журнале IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.
    177
  • 09/01/2018

    Геофизики исследовали космические хоры в радиационном поясе Земли

    ​Ученые из Полярного геофизического института исследуют низкочастотные сигналы, которые способны влиять на радиационный пояс Земли. Прогноз поведения пояса позволит минимизировать вред от космической радиации для спутников и космонавтов.
    386
  • 20/06/2018

    Ученые объяснили формирование суперземель

    ​Российские ученые проанализировали эволюцию молодых звезд и выяснили, как формируются планеты на ранних стадиях. Это поможет изучать процессы, происходящие при образовании экзопланет, что позволит лучше понять структуру и строение космических тел, находящихся в том числе и в Солнечной системе.
    122
  • 14/05/2018

    Ученые знают, как заставить проводник из графена лучше работать

    ​Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе.
    120
  • 15/05/2018

    Российские ученые обнаружили аномалии в изменении теплоемкости кристаллов

    ​Российские ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН исследовали необычное увеличение теплоемкости кристаллов, которое проявляется, если между частицами действуют силы с ограниченным радиусом действия.
    207
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    327
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    1275