english

Научные результаты

Электромагнитные каскады.
Частицы, обладающие высокой энергией, при попадании в интенсивное электромагнитное поле начинают участвовать в квантовых реакциях. Чаще всего это реакции, протекающие в рамках квантовой электродинамики. Например, электрон при движении в интенсивном электрическом поле может испустить фотон высокой энергии — квант гамма-излучения. Фотон же может распасться, родив при этом электрон-позитронную пару.
Эти простейшие процессы лежат в основе такого явления как квантово-электродинамический (или электромагнитный) каскад. Представим себе электрон, обладающий высокой энергией (что означает, что двигается он со скоростью, близкой к скорости света), влетающий в область интенсивного электромагнитного поля. Двигаясь в поле, он начинает излучать фотоны, которые, в свою очередь, распадаются на электрон-позитронные пары. Рождённые электроны и позитроны снова способны излучать фотоны, что приводит к рождению всё новых и новых поколений частиц (Рис. 1). Таким образом, мы получаем лавинообразный рост числа электронов, позитронов и фотонов. Это явление и называется электромагнитным каскадом.

Рис.1 Схематическое изображение каскада, развивающегося из затравочного электрона.

Каскады могут развиваться, например, в атмосферах планет при попадании туда космических частиц высоких энергий (так называемые атмосферные ливни, Рис. 2). Их последствия в виде потока электронов, позитронов и излучения время от времени фиксируются и на поверхности Земли. При этом источниками сильного поля служат ядра атомов, составляющих атмосферу: когда частицы пролетают мимо них и происходят квантовые реакции. Другой пример — каскады в магнитосферах планет и звёзд, где наличие магнитного поля вблизи поверхности космических тел делает возможным развитие каскада. Вблизи поверхностей пульсаров, из-за их быстрого вращения, существенным оказывается и электрическое поле, также стимулирующее развитие каскадов. Считается, что это — основной механизм возникновения электрон-позитронной плазмы на поверхностях пульсаров. Наконец, не так давно, в связи с активным развитием лазерных технологий и проектированием систем, позволяющих генерировать излучение с мощностью, превышающей 10²⁴Вт/см², была сформулирована идея возможности наблюдения каскада в лазерном поле.

Рис. 2 Атмосферные ливни вблизи поверхности земли (http://ppc.inr.ac.ru/direction_astro.php).

Отметим, что в первых двух примерах (каскады в атмосферах и магнитосферах планет) на каждом шаге энергия материнской частицы делится между дочерними частицами, которые уже никак не могут её пополнить. Таким образом, в ходе развития каскада энергия затравочной частицы постоянно дробится, делясь между всеми частицами каскада. Поэтому в некоторый момент, когда частиц становится достаточно много, их энергии оказываются слишком малыми: электроны уже не могут излучать фотоны с высокой энергией, а энергии фотона не хватает на рождение электрон-позитронной пары. Это приводит к прекращению каскада.

Рис. 3. Магнитное поле нейтронной звезды (слева) и пульсара (справа),
в которых, предположительно, также идёт развитие КЭД-каскадов
(http://solareclipse.org.ru/cosmos/?cat=29&paged=2).
В случае же каскадов вблизи поверхности пульсаров или в лазерном поле вновь рождённые частицы могут быть ускорены полем и, таким образом, набирать энергию. Таким образом, каскад становится самоподдерживающимся. Конечно, это не означает, что он будет длиться вечно: в некоторый момент рождённая плазма станет настолько плотной, что ослабит (или, как говорят, начнёт экранировать) электромагнитное поле, что приведёт к прекращению рождения новых частиц. Это, однако, делает возможным инициацию каскада даже частицей, изначально обладающей не очень высокой энергией, и значительно увеличивает количество рождённых частиц.

Рис. 4. Иллюстрация к схеме инициации каскада в лазерном поле.

Вернёмся снова к идее электромагнитных каскадов в лазерном поле. Начиная с пионерской работы А. Р. Белла и Дж. Г. Кирка в 2008 году, по этой тематике было опубликовано множество статей. Данное явление привлекает внимание исследователей по многим причинам. С одной стороны, это фундаментальный интерес. Когда речь идёт о сравнительно небольших энергиях, квантовая электродинамика (КЭД) известна как наиболее точная наука, Классический пример — вычисление магнитного момента электрона, подтверждаемое экспериментом с точностью до девяти знаков после запятой. Однако, КЭД не проверена экспериментально при высоких энергиях и в присутствии интенсивных электромагнитных полей. Электромагнитный каскад — одно из наиболее значимых теоретических следствий КЭД в сверхсильных полях, что делает важной задачу его экспериментального исследования. С другой стороны, в литературе активно обсуждаются и практические применения каскадов. Это, например, создание источников гамма-излучения, генерация электрон-позитронной плазмы, получение экзотических частиц, таких как мюоны, тау-лептоны, пионы и некоторые другие мезоны.
На данном этапе, когда сверхмощные лазерные комплексы находятся на стадии создания, важным является получить как можно больше априорной информации с помощью теоретических исследований. Актуальными являются следующие вопросы: выявление оптимальных для наблюдения каскада конфигураций поля, предсказание свойств конечных продуктов для их более эффективного наблюдения и для сравнения теоретических и экспериментальных предсказаний. Теоретическое исследование каскадов, однако, является весьма сложной задачей. Самосогласованное описание должно включать как квантовые эффекты (носящие стохастический характер), так и динамику электромагнитного поля, взаимодействующего с рождающейся плазмой. Наиболее эффективным методом исследования при этом является численное моделирование. В настоящее время для этих целей используются PIC-MC коды. PIC-часть кода (Particles in Cells – метод частиц в ячейках) является наиболее разработанным инструментом для моделирования взаимодействия электромагнитного поля с плазмой, MC-часть кода (метод Монте-Карло) моделирует квантовые процессы. В нашей группе разрабатывается трёхмерный PIC-MC код, позволяющий проводить полномасштабное моделирование развития каскада, а также других процессов, происходящих при взаимодействии сверхсильных полей с веществом.
С использованием данного кода, в частности, нами было исследовано развитие каскада в поле двух сталкивающихся длинных (ширина огибающей много больше длины волны) лазерных импульсов, образующих в момент столкновения стоячую волну. Основной целью моделирования было выявление того, как на протекание каскада влияет поляризация импульсов, с целью чего были рассмотрены случаи линейной и циркулярной поляризации. Было продемонстрировано, что за одно и то же время и при одной и той же энергии импульсов в циркулярно поляризованной волне может быть получено на порядок большее число частиц, причём, чем больше интенсивность лазерного импульса, тем больше получаемый выигрыш. 

Рис. 5. Результат численного моделирования траекторий заряженных частиц в лазерном поле.

Другое отмеченное различие циркулярной и линейной поляризации заключается в следующем. Каскад в циркулярно поляризованной стоячей волне достаточно быстро выходит на стационарный режим. При этом инкремент роста числа частиц оказывается независящим от времени, кроме того, со временем не меняется форма спектров частиц и пространственное распределение плотности плазмы. Иная ситуация реализуется при развитии каскада в линейно поляризованной волне. Здесь инкремент роста числа частиц оказывается периодической функцией времени. Спектры также периодически меняются со временем: плазма то нагревается, то охлаждается. Также наблюдается периодическое изменение пространственного распределения плотности плазмы. В некоторые моменты времени существует два ярко выраженных максимума плотности плазмы на каждом периоде лазерного поля. Затем каждый из них расщепляется, и на периоде поля образуется четыре максимума. Через некоторое время они снова сходятся, и процесс повторяется. Подобное поведение объясняется тем, что в линейно поляризованной волне преобладает то электрическое, то магнитное поле, в которых динамика каскада имеет существенно различный характер.