Физики 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 нашли, как можно наблюдать распад вакуума в?сверхкритическом кулоновском поле
Физики Санкт-Петербургского университета вместе с?иностранными коллегами смогли показать, что при определенной постановке эксперимента по?измерению числа позитронов, родившихся в?процессе низкоэнергетического столкновения тяжелых ионов, можно увидеть свидетельства распада вакуума в?сверхкритическом кулоновском поле.
Практически сразу после того, как к началу 1930-х годов были заложены основы квантовой теории поля, было замечено, что теория предсказывает спонтанное рождение электрон-позитронных пар постоянным однородным электрическим полем, если напряженность этого поля сравнима или больше некоторого (очень большого) критического значения. В то время как с точки зрения теории это явление изучалось в большом количестве работ, его экспериментальное обнаружение не представлялось возможным в силу практической недостижимости требуемой напряженности поля. Определенные надежды на экспериментальное обнаружение этого фундаментального эффекта связывались с развитием лазерных технологий. Но, по всей видимости, в ближайшие десятилетия достичь нужной напряженности поля с помощью лазеров вряд ли удастся.
Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.
Альтернативный подход к исследованию свойств вакуума в присутствии сверхкритического поля был предложен 50 лет назад в работах советских физиков: Семена Герштейна, Якова Зельдовича, Владимира Попова — и независимо в работах немецкой группы под руководством Вальтера Грайнера. В этих работах было показано, что в поле голого ядра с зарядом больше критического значения, равного 173, вакуум становится нестабильным, в результате чего могут спонтанно рождаться позитроны. А именно: при переходе от докритического к сверхкритическому режиму изначально нейтральный вакуум распадается на заряженный вакуум и два позитрона.
Так как в природе не существует ядер с таким большим зарядом (заряд самого тяжелого из открытых к настоящему времени элементов, оганесона, равен 118), единственный способ создать сверхкритическое поле — это сталкивать ядра с суммарным зарядом больше критического значения (Z1+Z2>173). Попытки экспериментального наблюдения этого эффекта, которые были предприняты около 30 лет назад в Институте тяжелых ионов в Дармштадте (Германия), не увенчались успехом.
Более того, ведущая немецкая теоретическая группа, работавшая под руководством Грайнера над этой проблемой более 20 лет, пришла к заключению, что распад вакуума можно будет экспериментально наблюдать только в случае, если сталкивающиеся ядра слипаются на какое-то время за счет ядерных сил. Необходимость такого слипания обосновывалась малостью времени существования режима сверхкритического поля в упругом столкновении, в результате чего спонтанное рождение позитронов невозможно увидеть на фоне большого динамического (индуцированного) рождения позитронов, которое имеет место быть как в докритическом, так и в сверхкритическом полях (в отличие от спонтанного). Однако на данный момент не удалось найти каких-либо свидетельств существования слипания ядер в таких столкновениях.
С самого начала работы над этой проблемой, которую мы начали более 10 лет назад, я не верил в идею слипания ядер в таких столкновениях.
Профессор кафедры квантовой механики 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Владимир Шабаев
Нашей главной идеей был расчет на то, что нам удастся найти какие-то наблюдаемые величины, которые будут однозначно свидетельствовать о качественном различии докритического и сверхкритического режимов. Но чтобы реализовать эту идею, в первую очередь надо было развить новые методы расчетов динамики электрон-позитронного поля в низкоэнергетических столкновениях тяжелых ионов, которые бы позволили нам выйти за рамки приближений, использованных группой Грайнера?, — рассказал профессор кафедры квантовой механики 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Владимир Шабаев.
Исследователь отметил, что это была огромная многолетняя работа, в которой принимали участие как опытные ученые, так и молодые сотрудники кафедры, включая студентов и аспирантов. Развитые ими методы позволили оценить роль не учитывавшихся ранее эффектов и приступить к изучению более тонких деталей квантовой динамики рассматриваемых процессов.
?В результате нам удалось показать, что при определенной (вполне реальной) постановке экспериментов по измерению числа позитронов, родившихся в процессе низкоэнергетического столкновения двух голых ядер или голого ядра и нейтрального атома, можно четко выделить вклад именно спонтанного рождения позитронов, который и будет совершенно однозначно свидетельствовать о процессе распада вакуума в сверхкритическом кулоновском поле. При этом никакого слипания ядер не требуется. Эта работа уже вызвала большой интерес со стороны экспериментаторов, и у меня нет никаких сомнений, что она значительно повлияет на программы научных исследований на строящихся сейчас мегаустановках в Германии (FAIR) и Китае (HIAF). Но особые надежды я возлагаю на то, что соответствующий проект будет запущен в России. Такая возможность имеется в Дубне, о чем нам рассказал Юрий Цолакович Оганесян во время своего визита в 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 в июне этого года?, — объяснил Владимир Шабаев.
График показывает производную вероятности рождения позитронов по?энергии сталкивающихся голых ядер с?одинаковым зарядом Z=Z1=Z2 для траекторий с?фиксированным минимальным сближением ядер, Rmin=16.5?ферми. Вертикальная красная линия разделяет докритический и?сверхкритический режимы. Уменьшение функции dP/dη с?ростом?Z свидетельствует о?распаде изначально нейтрального вакуума на?заряженный вакуум и?два позитрона.
?В заключение я бы хотел особо отметить, — продолжает Владимир Шабаев, — что, хотя список авторов данной работы включает ученых из разных стран, ведущая роль в данном исследовании несомненно принадлежит сотрудникам кафедры квантовой механики 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入. Кроме меня, это молодые сотрудники кафедры Илья Мальцев и Юрий Кожедуб, а также аспиранты Роман Попов и Дмитрий Тумаков. Наконец, отмечу, что эта работа, равно как и многие другие наши работы последнего десятилетия, была бы просто невозможна без финансовой поддержки от 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 через конкурсы по Мероприятиям 1 и 2?.