Экспериментальная генерация все более интенсивных световых лучей может помочь раскрыть новые физические режимы, возникающие в присутствии очень сильных электромагнитных полей. Хотя в достижении этой цели был достигнут некоторый прогресс, физикам еще предстоит разработать надежную стратегию достижения экстремальной интенсивности света.
Исследователи из LIDYL, CEA, CNRS и Университета Париж-Сакле недавно предложили реалистичный метод достижения беспрецедентной интенсивности света в экспериментальных условиях с использованием узкофокусированных лазеров с доплеровским усилением. Теоретически было обнаружено, что этот метод, описанный в статье , опубликованной в журнале Physical Review Letters , обеспечивает взаимодействие света и материи вблизи предела Швингера.
«В статье используется идея, которая возникла у нашей команды во Французской комиссии по альтернативной энергетике и атомной энергии (CEA-LIDYL) в 2019 году и с тех пор тщательно изучалась в сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (особенно в отношении аспектов моделирования). Анри Винченти и Нил Заим, соавторы статьи, рассказали Phys.org.
«В рамках этого сотрудничества мы разрабатываем новую технику для создания источника света беспрецедентной интенсивности и исследуем, как такой источник света можно использовать для исследования режима сильного поля квантовой электродинамики (SF-QED)».
КЭД, релятивистская квантовая теория электродинамики, является одной из наиболее точно проверенных физических теорий. Однако его режим сильного поля остается в значительной степени неисследованным из-за текущих трудностей с его экспериментальным исследованием.
«Теория СФ-КЭД была разработана десятилетия назад и предсказывает возникновение новых физических режимов в присутствии очень сильных электромагнитных полей, где преобладают гамма-излучение и образование антивещества (электрон-позитронных пар) и где даже распространение света в вакууме становится нелинейным», — сказали Винченти и Заим.
«Например, интенсивный световой луч может изменить распространение другого светового луча, пересекающего его путь, — режим, не описываемый уравнениями Максвелла, которые по сути линейны».
Предполагается, что режимы сильного поля возникают вблизи массивных астрофизических объектов, включая черные дыры и нейтронные звезды, а также во время экстремальных астрофизических событий, таких как гамма-всплески. Эти космологические явления еще не до конца изучены, поэтому изучение связанных с ними экстремальных режимов в лабораторных условиях может оказаться весьма полезным.
Однако до сих пор ученым не удавалось успешно воспроизвести режимы с доминированием СФ-КЭД в экспериментальных условиях. Несколько экспериментов, в которых пытались это сделать, основывались на крупномасштабных ускорителях частиц, однако они смогли обнаружить лишь небольшое количество процессов SF-QED.
«Эти режимы сложно воспроизвести в лабораторных условиях, поскольку явления СФ-КЭД возникают, когда электромагнитные поля приближаются к так называемому пределу Швингера (~ 10 18 В/м или, что эквивалентно, ~ 10 29 Вт/см 2 ); на порядки величины выше состояния «Новейшая лазерная технология, которая может «только» производить интенсивность до ~10 23 Вт/см 2 », — сказали Винченти и Заим.
«На самом деле, часто считается невозможным достичь поля Швингера в лабораторных условиях. Таким образом, все прошлые и предлагаемые эксперименты полагаются на достижение предела Швингера только в системе покоя очень энергичных частиц».
Винченти, Заим и их коллеги надеются, что предложенная ими технология генерации очень интенсивного света откроет новые возможности для исследований. В частности, это может в конечном итоге позволить физикам приблизиться к так называемому пределу Швингера в лабораторных условиях.
«В нашей статье 2019 года мы с помощью современного численного моделирования подтвердили осуществимость нашей технологии усиления света», — сказали Винченти и Заим.
«Наше моделирование показало, что этот метод может увеличить интенсивность PW-лазера на 2–5 порядков, потенциально делая диапазон интенсивности 10 25–10 28 Вт /см 2 доступным для современной лазерной технологии. В опубликованной в 2021 году статье в Nature Physics мы получили первое экспериментальное подтверждение этого результата с помощью лазера тераваттного (TW) класса с более умеренной интенсивностью (~10 19 Вт/см 2 ).
В еще одной статье, опубликованной в 2021 году , Винченти и его сотрудники изложили результаты дальнейшего численного моделирования. Эти результаты показали, что даже при самых низких интенсивностях, которых они надеются достичь с помощью предложенного метода (~ 10 25 Вт/см 2 ), усиленного света будет достаточно, чтобы вызвать гораздо больше явлений SF-QED, чем те, которые исследуются обычным PW-лазером.
«Это может привести к новому типу экспериментов SF-QED в ближайшие годы», — сказали Винченти и Заим. «Однако в этом случае мы все еще находимся на несколько порядков от достижения предела Швингера в лабораторной системе отсчета, поскольку он превышается только в системе покоя энергичных частиц».
Хотя исследователи уже провели различные численные моделирования для теоретической проверки своего подхода, одно из его потенциальных применений еще предстояло изучить. В частности, команда еще не исследовала потенциал достижения предела Швингера в лабораторных условиях.
«Это соответствует самой высокой интенсивности, которую мы надеемся достичь с помощью нашей технологии усиления света (~ 10 28 Вт/см 2 )», Винченти и Заим. «Цель этой новой статьи состояла в том, чтобы изучить физические сценарии, которые вступают в игру на этих неизведанных территориях, используя самые современные численные инструменты. Такие результаты очень важны для мотивации, определения и подготовки будущих поколений научно-фантастических специалистов. КЭД-эксперименты».
Для получения света беспрецедентной интенсивности метод, предложенный Винченти и его коллегами, использует взаимодействие между PW-лазером и плоской твердой мишенью, которая ионизируется в плазму. В частности, исследователи предложили поражать оптически полированную твердую мишень лазерным лучом сверхвысокой интенсивности, приводя к образованию так называемого плазменного зеркала.
Это плазменное зеркало отражает падающий свет, а также перемещается под действием интенсивного лазерного поля. Это движение приводит к временному сжатию отраженного лазерного импульса, который затем преобразуется в более короткую длину волны за счет эффекта Доплера. Давление излучения лазера придает плазменному зеркалу естественную кривизну, фокусируя усиленный доплером луч на меньшие пятна и теоретически создавая в этих пятнах прирост интенсивности более чем на три порядка.
«Ключевым дополнительным ингредиентом, необходимым для достижения максимальной интенсивности, приближающейся к пределу Швингера (скажем, ~10 28 Вт/см 2 , а не ~ 10 25 Вт/см 2 ), является способность фокусировать усиленный свет до минимально возможного объема. », — объяснили Винченти и Заим.
«В настоящее время мы изучаем несколько путей достижения такой жесткой фокусировки в экспериментах, например, с помощью внешней перефокусировки оптики в крайнем ультрафиолете. Некоторые из этих методов уже выглядят очень многообещающе и станут предметом будущих публикаций».
В своей недавней статье Винченти и Заим не сделали никаких предположений о методе, используемом для жесткой фокусировки доплеровского света, поскольку это позволило бы им представить различные потенциальные варианты в их численном моделировании. Вместо этого они просто предположили, что смогут сфокусировать свет до наименьшего возможного объема (т.е. до дифракционного предела).
«Результаты, которые мы получили, очень интересны, поскольку они показывают, что приближение к пределу Швингера в лабораторных условиях приводит к новым и чрезвычайно богатым сценариям взаимодействия света и материи , лежащим на переднем крае современной физики», — сказали Винченти и Заим.
«Простое взаимодействие между нашим усиленным светом и твердой мишенью приводит к множеству событий SF-QED, которые доминируют в физике. Обычно от 30% до 50% энергии усиленного света преобразуется в гамма-лучи и электрон-позитронные пары. за несколько десятков фемтосекунд с помощью процессов SF-QED».
Численное моделирование , проведенное исследователями, также показало, что их метод приводит к тому, что генерируемые гамма-фотоны и электрон-позитронные пары группируются в плотные огненные шары, которые движутся со скоростью света. Хотя эти огненные шары имеют короткую жизнь (около 1 фс), команда считает, что они могут имитировать струи электронов и позитронов, которые существуют вблизи черных дыр и нейтронных звезд , таким образом, они помогают раскрыть происхождение излучаемого ими излучения.
«При самых высоких интенсивностях, которые мы могли разумно рассматривать (> 10 28 Вт/см 2 ), мы обнаружили, что физика становится еще более радикальной: начинают происходить цепные реакции создания частиц», — сказали Винченти и Заим.
«Другими словами, фотоны и электрон-позитронные пары создают новые фотоны и пары, экспоненциально увеличивая плотность огненных шаров, более чем в 5000 раз превышающую плотность твердого тела. Не так уж неразумно думать, что такая цепная реакция Этот механизм потенциально может привести к появлению новых продвинутых источников гамма-всплесков и антиматерии».
Винченти, Заим и его коллеги теоретически показали, что столкновение их доплеровского света с пучком энергичных электронов, исходящим из ускорителя частиц, также может привести к интересным результатам. Фактически, в этой конфигурации поле в системе покоя электронов становится настолько сильным, что теория возмущений, разработанная для СФ-КЭД, терпит неудачу.
«Другими словами, на сегодняшний день мы понятия не имеем, что произойдет в таком эксперименте», — объяснили Винченти и Заим.
«Это отсутствие теоретической основы, вероятно, связано как с математической сложностью непертурбативной квантовой теории поля, так и с тем фактом, что исследователи в течение многих лет думали, что будет невозможно достичь таких высоких электрических полей в системе покоя электрона. Наше предположение заключается в том, что такого рода результаты еще больше возродят интерес к непертурбативному режиму СФ-КЭД и будут стимулировать разработку новых теоретических или численных моделей, лучше подходящих для этого режима».
Результаты, полученные исследователями на данный момент, позволяют предположить, что проведение экспериментов, близких к пределу Швингера, даст новые захватывающие результаты, которые могут внести большой вклад в области физики плазмы и КЭД. В своих следующих исследованиях они планируют начать применять предложенный метод в реальных экспериментах в сотрудничестве с крупнейшими лазерными установками по всему миру.
«Основная задача, которую мы предвидим, — это получение максимально возможной интенсивности света (до 10 28 Вт/см 2 ) в реальной среде с экспериментальными недостатками (как лазера, так и нацеливания) и ограниченным временем луча», — Винченти и Заим. сказал. «Выявление и устранение препятствий, которые ждут впереди, потребует сочетания теоретического, численного и экспериментального опыта».
Исследователи прогнозируют, что в первых экспериментах они смогут создать усиленный свет интенсивностью около 10 25 Вт/см 2 . Хотя эти интенсивности все еще будут далеки от предела Швингера, они все равно будут мировым рекордом, открывающим путь для высокоэффективных экспериментов SF-QED, которые никогда раньше не проводились.
«Затем мы воспользуемся результатами предыдущих экспериментов и будущим прогрессом в лазерных технологиях, чтобы постепенно увеличивать повышенную интенсивность света до предела Швингера», — добавили Винченти и Заим. «Это позволит нам получать все более и более впечатляющие взаимодействия, в которых доминирует SF-QED. Поэтому мы убеждены, что впереди нас ждут захватывающие времена».
