Используя продвинутое компьютерное моделирование, исследовательская группа под руководством Оксфордского университета, работающая в партнёрстве с Высшим техническим институтом при Лиссабонском университете, впервые провела трёхмерное моделирование в реальном времени того, как интенсивные лазерные лучи изменяют «квантовый вакуум». Ранее считалось, что это состояние пустое, но, согласно квантовой физике, оно заполнено виртуальными парами электрон-позитрон.
Эти симуляции воссоздают необычное явление, предсказанное квантовой физикой, известное как «вакуумное четырёхволновое смешивание». Оно гласит, что объединённое электромагнитное поле трёх сфокусированных лазерных импульсов может поляризовать виртуальные пары электрон-позитрон в вакууме, заставляя фотоны отскакивать друг от друга, как бильярдные шары, — в результате генерируется четвёртый лазерный луч в процессе «света из темноты».
«Это не просто академическое любопытство — это важный шаг к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими», — сказал соавтор исследования профессор Питер Норрейс с физического факультета Оксфордского университета.
Работа опубликована в журнале Communications Physics.
Новое поколение мощных лазеров
Исследование появилось в самый подходящий момент, когда начинает работать новое поколение сверхмощных лазеров. Такие установки, как британский Vulcan 20-20, европейский проект «Экстремальная световая инфраструктура (ELI)» и китайские станции Station for Extreme Light (SEL) и SHINE, должны обеспечить уровень мощности, достаточный для потенциального подтверждения рассеяния фотонов в лаборатории впервые.
Рассеяние фотонов уже выбрано в качестве одного из трёх флагманских экспериментов на установке OPAL с двумя лучами лазера мощностью 25 ПВт в университете Рочестера в Соединённых Штатах.
Симуляции были проведены с использованием продвинутой версии OSIRIS — программного пакета для моделирования взаимодействий между лазерными лучами и материей или плазмой.
Ведущий автор Зиксин (Лили) Чжан, докторант физического факультета Оксфорда, сказала: «Наша компьютерная программа даёт нам временное, трёхмерное окно в взаимодействия квантового вакуума, которые ранее были недоступны».
Профессор Луис Силва (Высший технический институт, Университет Лиссабона и приглашённый профессор физики в Оксфорде) добавил: «Широкий спектр запланированных экспериментов на самых передовых лазерных установках будет значительно расширен благодаря нашему новому вычислительному методу, реализованному в OSIRIS».
Модели предоставляют экспериментаторам детали, необходимые для разработки точных практических тестов, включая реалистичные формы лазеров и синхронизацию импульсов. Симуляции также открывают новые возможности, включая эволюцию этих взаимодействий в реальном времени и то, как тонкие асимметрии в геометрии луча могут изменить результат.
По словам команды, этот инструмент не только поможет в планировании будущих экспериментов с лазерами высокой энергии, но и может помочь в поиске признаков гипотетических частиц, таких как аксионы и миллизаряженные частицы — потенциальные кандидаты в тёмную материю.
«Сочетание сверхмощных лазеров, современных методов обнаружения, передовых аналитических и численных моделей — основа новой эры во взаимодействиях лазера с веществом, которая откроет новые горизонты для фундаментальной физики», — подытожили исследователи.
Предоставлено Оксфордским университетом.