Сотрудники кафедры Теоретической ядерной физики Института лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ впервые создали полное аналитическое описание эксперимента по наблюдению поляризации вакуума. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Physical Review D.

Рост мощности сверхмощных лазерных установок, отмеченный Нобелевской премией 2018 года, позволяет ученым использовать их для экспериментальной проверки фундаментальных предсказаний квантовой электродинамики.

В рамках квантовой электродинамики два фотона могут столкнуться друг с другом и рассеяться. Но этот процесс идет не напрямую — кванты света незаряжены и не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого один из фотонов превращается в виртуальную пару частица-античастица (электрон-позитрон) из одного фотона, с которой и взаимодействует второй фотон. Процесс образования виртуальных частиц и античастиц в вакууме называется поляризацией вакуума.

Перед исследователями из разных научных групп в последнее время встал вопрос о проведении эксперимента по наблюдению фотон-фотонного рассеяния в трехлучевой схеме. Предполагается, что при сведении трех коротких фокусированных сверхмощных лазерных импульсов в вакууме будут обнаружены фотоны, сигнализирующие о поляризации вакуума этими импульсами.

«Сравнение свойств сигнальных фотонов с расчетными позволило бы ученым либо подтвердить существующие теоретические представления, либо указать на новую физику, например, на присутствие аксионоподобных компонент темной материи», — рассказал доцент кафедры теоретической ядерной физики Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Александр Федотов.

Он отметил, что необходимая для проведения такого эксперимента лазерная интенсивность в принципе уже доступна, однако для повышения точности лучше использовать установки нового поколения, которые сегодня строятся в России (XCELS) и в Китае (Station of Extreme Light).

«Ранее параметры эксперимента считались численно, что не позволяло их существенно оптимизировать. Мы в своей работе вывели общие приближенные формулы для углового распределения, спектра и числа сигнальных фотонов в трехлучевой схеме, в зависимости от параметров и геометрии сведения импульсов. Мы также провели параметрическое исследование сигнала, а также сформулировали рекомендации по проведению реального эксперимента», — сообщил аспирант кафедры Теоретической ядерной физики института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Арсений Березин.

По словам ученых, предложенный ими подход позволяет делать многочисленные обобщения и будет применяться для планирования эксперимента на российской установке XCELS. Подобные эксперименты находятся на передовых рубежах исследования фундаментальных законов физики сверхсильных полей.

Работа выполнена при поддержке Национального центра физики и математики, Российского научного фонда и программы «Приоритет 2030».