Группа исследователей 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 квантовая физика предсказывает, что оно заполнено виртуальными парами электрон-позитрон.
Для моделирования использовалась продвинутая версия программы OSIRIS — пакета для моделирования взаимодействий между лазерными лучами и материей или плазмой.
Учёные воссоздали 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, — генерируя четвёртый лазерный луч в процессе «света из темноты».
Профессор Питер Норрэйс, соавтор исследования из Оксфордского университета, сказал: «Это не просто академическое любопытство — это важный шаг к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими».
Работа опубликована в журнале Communications Physics.
Новое поколение сверхмощных лазеров начинает работать как раз вовремя. Такие установки, как британский Vulcan 20-20, европейский проект «Экстремальная световая инфраструктура» (ELI) и китайские установки 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 25 PW лазера Университета Рочестера в Соединённых Штатах.
Ведущий автор исследования — аспирантка физического факультета Оксфорда Зиксин (Лили) Чжан — сказала: «Наша компьютерная программа даёт нам временное трёхмерное окно в взаимодействия квантового вакуума, которые ранее были недоступны».
Согласно команде, инструмент не только поможет в планировании будущих экспериментов с высокоэнергетическими лазерами, но и может помочь в поиске признаков гипотетических частиц, таких как аксионы и частицы с миллизарядом — потенциальные кандидаты в тёмную материю.
Профессор Луис Силва (Высший технический институт, Университет Лиссабона и приглашённый профессор физики Оксфордского университета) добавил: «Широкий спектр запланированных экспериментов на самых передовых лазерных установках будет значительно расширен благодаря нашему новому вычислительному методу, реализованному в OSIRIS. Сочетание сверхмощных лазеров, современных методов обнаружения, передовых аналитических и численных моделей — это основа новой эры во взаимодействиях лазера с веществом, которая откроет новые горизонты для фундаментальной физики».
Предоставлено Оксфордским университетом.