Университет Ланкастера в Великобритании получил финансирование EPSRC на исследование производства антиматерии в мощных лазерных импульсах

Кристофер Аллан, преподаватель Университета Ланкастера и Кокрофтского института, недавно получил трёхлетнее финансирование в рамках премии нового исследователя от Совета по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC) на проведение исследований по рождению электрон-позитронных пар в сверхсильных электромагнитных полях мощных лазеров.

Исследование сосредоточено на процессе производства материи и антиматерии в условиях мощных лазерных импульсов. Считается, что аналогичные взаимодействия существуют в экстремальных космических средах, например, вблизи пульсаров и аккреционных дисков чёрных дыр. Ранее подобные взаимодействия измерялись только на крупных ускорительных установках, таких как Стэнфордский университет и Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН), однако напряжённость электрических и магнитных полей, использовавшихся в тех экспериментах, была значительно ниже сильнополевых условий, достижимых на современных мощных лазерах.

Физическая основа исследования тесно связана с уравнением Эйнштейна E=mc². Это уравнение обычно используется для объяснения преобразования массы в энергию в процессах ядерного синтеза и деления, тогда как в экспериментах с мощными лазерами учёные пытаются использовать это соотношение в обратном направлении: сфокусировать лазерное излучение достаточно высокой интенсивности на высокоэнергетических гамма-лучах, чтобы преобразовать энергию в массу и таким образом произвести пары материя—антиматерия из светового поля.

В процессе нелинейного взаимодействия Брейта—Уилера множественные фотоны могут взаимодействовать с образованием электрон-позитронных пар. По мере повышения интенсивности пучков самых мощных лазеров в мире, лазерные поля достигли уровня, при котором сотни фотонов могут быть сжаты в объёме, сравнимом с радиусом одного электрона. В таких условиях взаимодействие фотонов переходит в так называемое “непертурбативное” состояние, которое уже трудно описать с помощью модели однократного столкновения.

Аллан отметил, что мощные лазеры открывают новые физические явления, и прямое измерение того, “как свет производит материю”, имеет большое значение. Поскольку электромагнитные поля чрезвычайно сильны, исследовательская группа будет рассматривать этот процесс как квантовое туннелирование, то есть “виртуальные” электрон-позитронные пары в вакууме превращаются в измеримые реальные электроны и позитроны под действием сильного поля. Исследователи полагают, что это может соответствовать процессам, происходящим в самых экстремальных средах Вселенной, а финансирование EPSRC обеспечит условия для измерения этих процессов в земных лабораториях.

 

Схема эксперимента по производству материи и антиматерии, демонстрирующая, как с помощью двух лазерных пучков создаются гамма-излучение и электрон-позитронные пары. На правом изображении показан реальный эксперимент, вид со стороны приводного лазера.

Согласно исследовательскому плану, группа будет проводить эксперименты с использованием двух лазерных пучков: один пучок используется для получения высокоэнергетических электронов посредством ускорения на лазерном кильватерном поле в плазме; второй пучок фокусируется в масштаб, значительно меньший толщины человеческого волоса, для достижения максимально возможной интенсивности. При столкновении электронного пучка со вторым лазерным импульсом эксперимент позволит получить высокоэнергетические гамма-лучи, а также электрон-позитронные пары.

Измеряя сигналы электронного пучка, гамма-излучения и позитронов, исследовательская группа сможет глубже понять процесс квантового туннелирования в сильных полях и обеспечить экспериментальную основу для изучения физических механизмов в экстремальных космических средах. Результаты исследований Аллана и его коллег, касающиеся конструкции соответствующих экспериментов, особенно таких ключевых задач, как временное управление и юстировка пучков в экспериментах с мощными лазерами, опубликованы в журнале “New Journal of Physics”.