Предложен способ получения экстремально плотной электрон-позитронной плазмы

Нижегородские ученые 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.

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. 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 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 10²⁴ частиц в кубическом сантиметре. Для сравнения: приблизительно столько же электронов содержится в тяжелых металлах, например, платине или золоте.

В новой работе ученые показали, 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 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 — дипольную фокусировку. Лазерное излучение в этом случае облучает точку фокуса как бы со всех сторон. Ранее было показано, что такая конфигурация оптимальна с точки зрения мощности излучения, необходимой для наблюдения лавины.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.