Физики воссоздают экстремальные эффекты квантового вакуума

Используя передовые методы компьютерного моделирования, исследовательская группа под руководством Оксфордского университета в сотрудничестве с Высшим техническим институтом Лиссабонского университета впервые в реальном времени провела трёхмерное моделирование того, как интенсивные лазерные лучи изменяют «квантовый вакуум» — состояние, которое когда-то считалось пустым, но которое, согласно квантовой физике, полно виртуальных электронно-позитронных пар.

Что интересно, эти симуляции воссоздают странное явление, предсказанное квантовой физикой, известное как «смешивание четырёх волн в вакууме». Согласно этому явлению, объединённое электромагнитное поле трёх сфокусированных лазерных импульсов может поляризовать виртуальные электронно-позитронные пары в вакууме, заставляя фотоны отскакивать друг от друга, как бильярдные шары, и генерируя четвёртый лазерный луч в процессе «света из тьмы». Эти явления могут служить пробой для новой физики при чрезвычайно высоких интенсивностях.

«Это не просто научная забава — это важный шаг на пути к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими», — сказал соавтор исследования профессор Питер Норрис с факультета физики Оксфордского университета.

Работа опубликована в журнале Communications Physics.

Работа была выполнена как раз вовремя, когда новое поколение сверхмощных лазеров начало вводиться в эксплуатацию. Такие установки, как британский «Вулкан 20-20», европейский проект «Экстремальная световая инфраструктура (ELI)» и китайские установки «Станция экстремального света (SEL)» и SHINE, способны обеспечить достаточно высокий уровень мощности, чтобы впервые подтвердить рассеяние фотонов на фотонах в лаборатории.

Фотон-фотонное рассеяние уже выбрано в качестве одного из трёх основных экспериментов на двухлучевом лазерном комплексе OPAL в Рочестерском университете в США.

Моделирование проводилось с использованием усовершенствованной версии OSIRIS — программного пакета для моделирования взаимодействия между лазерными лучами и веществом или плазмой.

Ведущий автор исследования Цзысинь (Лили) Чжан, докторант Оксфордского факультета физики, сказал: «Наша компьютерная программа позволяет нам наблюдать за взаимодействием квантового вакуума в трёхмерном пространстве с разрешением во времени, что ранее было невозможно. Применив нашу модель к эксперименту по рассеянию трёх пучков, мы смогли зафиксировать весь спектр квантовых признаков, а также получить детальное представление о зоне взаимодействия и ключевых временных масштабах. Тщательно протестировав моделирование, мы теперь можем перейти к более сложным и исследовательским сценариям, включая экзотические структуры лазерного луча и импульсы с переменным фокусом».

Важно отметить, что эти модели содержат детали, от которых зависят экспериментаторы при разработке точных реальных тестов, включая реалистичные формы лазерных лучей и временные интервалы между импульсами. Моделирование также позволяет по-новому взглянуть на то, как эти взаимодействия развиваются в реальном времени и как незначительные асимметрии в геометрии луча могут повлиять на результат.

По словам команды, этот инструмент не только поможет в планировании будущих экспериментов с высокоэнергетическими лазерами, но и позволит искать признаки существования гипотетических частиц, таких как аксионы и частицы с миллизарядом, — потенциальных кандидатов на роль тёмной материи.

Соавтор исследования профессор Луис Сильва (из Высшего технического института Лиссабонского университета и приглашённый профессор физики в Оксфордском университете) добавил: «Наш новый вычислительный метод, реализованный в OSIRIS, значительно облегчит проведение широкого спектра запланированных экспериментов на самых современных лазерных установках. Сочетание сверхмощных лазеров, современных средств обнаружения, передовых методов аналитического и численного моделирования — это основа новой эры в области взаимодействия лазеров с веществом, которая откроет новые горизонты для фундаментальной физики».

Источник: Phys.org