Линейные и нелинейные процессы Брейта-Уилера

Способность генерировать позитроны с помощью лазера также влияет на исследования по ускорению позитронов с помощью лазера.

В настоящее время позитроны производятся внешним источником, и основное внимание уделяется поиску расширенных конфигураций, которые облегчают ускорение позитронов. В контексте образования пар только из света важно различать нелинейные и линейные процессы Брейта-Уилера.

Нелинейный или многофотонный процесс — это распад γ-излучения, распространяющегося через лазерный импульс, на пару. В распаде участвует множество когерентных оптических фотонов.

Линейный или двухфотонный процесс — это аннигиляция двух энергичных γ-лучей, которая приводит к образованию пар.

Настройки, которые многие связывают с нелинейным процессом, требуют интенсивности лазера, превышающей 10²³ Вт/см². Двухфотонный процесс не требует от лазера такой интенсивности, но для него требуется плотная популяция энергичных γ-лучей, чтобы преодолеть малость поперечного сечения (10⁻²⁵ см²) и энергетический порог.

Облученная лазером плазма может эффективно генерировать пучок γ-излучения, поэтому столкновение в вакууме двух таких пучков (создаваемых двумя разными лазерами) является возможным подходом к получению пар.

Присущая пучку γ-лучей расходимость требует, чтобы мишени, генерирующие γ-лучи, находились близко друг к другу, что затрудняет экспериментальную реализацию.

Иной подход заключается в генерации и сталкивании пучков γ-излучения внутри одной мишени. Это не только позволяет преодолеть дивергенцию и, таким образом, повысить выход пар, но, что более важно, это предлагает неизученную возможность ускорить линейные позитроны. Если позитроны можно будет ускорять и коллимировать, то это облегчило бы их обнаружение, сделав возможным первое лабораторное наблюдение линейного процесса БУ, и позволило бы использовать их для аннигиляционной позитронной спектроскопии.

Режим, при котором плотная плазма, облучаемая лазером экспериментально достижимой интенсивности, самоорганизуется, чтобы производить позитроны только из света и ускорять их до ультрарелятивистских энергий. Лазерный импульс накапливает электроны на своем переднем крае, создавая сильное продольное электрическое поле плазмы, которое перемещается вместе с импульсом. Поле создает движущийся коллайдер γ-лучей, который генерирует позитроны посредством линейного процесса БУ и, в то же время, служит ускорителем для производимых позитронов.

Новый механизм ускорения позитронов и синергетическое взаимодействие между фотонным коллайдером и плазменным ускорителем были впервые открыты благодаря уникальному кинетическому моделированию, способному воспроизвести процессы генерации пар частиц в результате столкновений фотон-фотон. Ключевым моментом в этом исследовании стало наблюдение, основанное на анализе данных о фотонах, полученных в результате обработки, которое показало, что один лазерный импульс может генерировать сталкивающиеся популяции гамма-лучей в плотной структурированной плазме.

Фотонные коллайдеры

Помимо электрон-позитронных, протонных, ионных коллайдеров и их симбиозов, во второй половине XX века началось рассмотрение проектов фотонных и мюонных коллайдеров. Фотонные коллайдеры, вероятно, будут дополнять электрон-позитронные линейные коллайдеры (например, Международный линейный коллайдер, МЛК).

Фотон (γ), квант электромагнитного излучения, представляет собой элементарную частицу, которая характеризуется точечностью и отсутствием внутренней структуры. Это свойство сближает его с такими фундаментальными частицами, как электрон и позитрон, и отличает от протона, который является составной частицей, состоящей из более элементарных кварков и глюонов. Сила взаимодействия фотона с заряженной частицей, например, электроном, определяется исключительно величиной электрического заряда этой частицы и не зависит от других ее свойств. В коллайдерах, где фотоны сталкиваются с другими частицами, вся энергия фотона может быть преобразована в энергию покоя новых частиц, создавая условия для рождения пар частица-античастица и проникновения на масштабы расстояний, сравнимые с радиусом взаимодействия. Фотоны высокой энергии также характеризуются большим поперечным сечением взаимодействия с заряженными частицами, то есть имеют высокую вероятность столкнуться с ними. Это делает их эффективными для проведения исследований в области физики высоких энергий, а также для изучения структуры материи на малых расстояниях.

В коллайдерах вся энергия фотона может быть использована для создания других частиц и проникновения на малые расстояния.

Фотоны высокой энергии обладают большим поперечным сечением для заряженных частиц, с которыми они сталкиваются.

Использование фотонных коллайдеров

Фотонные коллайдеры представляют собой перспективную технологию для исследований в области физики элементарных частиц. Их применение позволяет углубить наше понимание электрослабых взаимодействий, в частности, физики W- и Z-бозонов и механизма нарушения электрослабой симметрии, включая свойства бозона Хиггса. Фотонные коллайдеры также обладают потенциалом для обнаружения новых, пока неизвестных частиц и типов взаимодействий. Кроме того, они открывают новые возможности для изучения явлений, обусловленных деталями квантовой хромодинамики, например, в процессах с участием адронов. В настоящее время эффективность использования фотонных пучков является предметом активных исследований в рамках проекта Международного линейного коллайдера (ILC). В частности, изучаются различные схемы генерации поляризованных фотонных пучков высокой энергии, а также оптимизация детекторных систем для регистрации продуктов столкновений фотонов с электронами и позитронами, а также фотонов друг с другом (γγ-столкновения). Эти исследования направлены на повышение точности измерений и расширение возможностей ILC. В перспективе, фотонные коллайдеры могут стать ключевым инструментом для решения ряда фундаментальных вопросов современной физики высоких энергий.

Электроны и позитроны в линейных коллайдерах

В отличие от кольцевых ускорителей, в линейных коллайдерах электроны и позитроны не подвержены значительным потерям энергии на синхротронное излучение. Это является существенным преимуществом, позволяющим достигать более высоких энергий столкновения. Однако при столкновении электрон-позитронных (e⁺e⁻) сгустков в линейных коллайдерах возникают эффекты, связанные с электромагнитным излучением, в частности, так называемым “пучковым тормозным излучением”. Для минимизации влияния этих эффектов на качество столкновений, приходится изменять форму сгустков, что, к сожалению, ведет к уменьшению их геометрической светимости, а, следовательно, и частоты столкновений. В случае фотонных коллайдеров, проблемы, связанные с подобным типом электромагнитного излучения, отсутствуют. Это позволяет с самого начала использовать более плотные сгустки заряженных частиц, формируя более компактные пучки, что потенциально способствует достижению более высокой светимости при сохранении энергии и уменьшению фоновых эффектов.

Дополнения и разъяснения:

Синхротронное излучение: Это излучение электромагнитных волн, которое возникает при движении заряженных частиц по криволинейной траектории в магнитном поле. В кольцевых ускорителях, где частицы циркулируют по кругу, это излучение является существенным фактором, ограничивающим максимальную энергию ускорения.

Пучковое тормозное излучение: Это излучение, возникающее, когда интенсивные пучки заряженных частиц сильно взаимодействуют друг с другом при столкновении, что вызывает изменение их траектории и высвобождение энергии в виде фотонов.

Геометрическая светимость: Это величина, характеризующая интенсивность пучка и определяющая частоту столкновений частиц в коллайдере. Более плотные и сфокусированные пучки обычно имеют более высокую светимость.

Фотоны высокой энергии

Для генерации пучков высокоэнергетичных фотонов в коллайдерных экспериментах предлагается использовать комптоновское рассеяние. В этом процессе лазерный пучок направляется на пучок высокоэнергетичных электронов, циркулирующих в коллайдере. В результате рассеяния, электроны передают часть своей энергии фотонам, которые, таким образом, становятся высокоэнергетичными. Особенностью линейных электрон-позитронных коллайдеров является то, что электронные сгустки в области столкновения имеют малые размеры. Это обстоятельство, наряду с высокой плотностью электронов, позволяет достигать высокого коэффициента конверсии энергии электронов в энергию фотонов, даже при использовании лазерных источников с умеренными энергетическими параметрами, обычно не превышающими 10 Дж на импульс. Такая эффективность делает данный метод весьма привлекательным для создания фотонных пучков в современных и будущих коллайдерных установках, поскольку позволяет уменьшить требования к мощности лазерной системы при сохранении высокой интенсивности и энергии фотонного пучка. Схема конверсии представлена на Рис. 1.

Рисунок 1. Схема конверсии электронов в фотоны

Работа лазерной системы

Для создания фотонных пучков в коллайдерах используется процесс комптоновского рассеяния, при котором лазерный пучок взаимодействует со сгустками электронов основного пучка коллайдера. В результате такого взаимодействия высокоэнергетичные фотоны, образовавшиеся в процессе рассеяния, приобретают направление, близкое к первоначальной траектории электронов. При этом, значительная часть энергии электронов, порядка 80%, передается фотонам, что позволяет создавать пучки фотонов с высокой энергией. Рассеянные электроны, потерявшие энергию, отклоняются от траектории с помощью магнитного поля и удаляются из пучка, а сформированный таким образом рабочий фотонный пучок направляется в точку столкновения.

Одновременно, к точке столкновения направляются сгустки электронов, полученные на втором линейном ускорителе электронов (ЛУЭ) коллайдера. Таким образом, реализуется режим работы фотонного коллайдера с пучками типа “фотон-электрон” (γe или eγ). Если на пути электронного пучка второго коллайдера также устанавливается фотонный конвертер, то создается второй рабочий лазерный пучок. Этот второй пучок фотонов направляется в точку столкновения, где сталкивается с первым фотонным рабочим пучком, что позволяет исследовать взаимодействия в режиме “фотон-фотон” (γγ). При реализации фотонного коллайдера таким способом, позитронный пучок оказывается ненужным.

Фотонный коллайдер не является просто дополнительным модулем, который можно было бы прикрепить к Международному линейному коллайдеру (МЛК). Напротив, его конструкция и работа должны быть интегрированы с остальными системами МЛК с самого начала. Для того чтобы лазерная система фотонного коллайдера функционировала наиболее эффективно и с максимальной отдачей, он должен быть неразрывно связан с коллайдером, работающим в целом ряде режимов: в обычном режиме столкновения электронов и позитронов (e+e-), а также в более экзотических режимах, таких как столкновения фотонов с фотонами (γγ), фотонов с электронами (γe), и столкновения электронов с электронами (e-e-). Это позволяет использовать все возможности лазерной системы.

Были проведены многочисленные расчетно-теоретические исследования, посвященные фотонному режиму работы. Так, в работах рассматриваются случаи, когда оба сталкивающихся пучка будут фотонными.

Некоторые из расчетных параметров фотонного режима МЛК представлены в Табл. 1. Там же приведены параметры e+e– режима.

Таблица 1

Основные параметры каждого из пучков МЛК в фотонном режиме (Энергия пучка 250 ГэВ)

Режим экспериментально доступной интенсивности лазера

Режим, при котором околокритическая плазма, облучаемая лазером экспериментально доступной интенсивности, может самоорганизовываться, собирая позитроны и ускоряя их до ультрарелятивистских энергий.

Лазерный импульс собирает электроны на своём переднем крае, создавая сильное продольное электрическое поле плазмы. Поле создаёт движущийся гамма-коллайдер, который генерирует позитроны посредством линейного процесса Брейта-Уилера — аннигиляции двух гамма-лучей в электрон-позитронную пару. В то же время плазменное поле, а не лазер, служит ускорителем для позитронов.

Открытие ускорения позитронов стало возможным благодаря первому в своём роде кинетическому моделированию, которое генерирует пары в результате столкновений фотон-фотон. Использование доступных лазерных излучений с интенсивностью 1022 Вт/см².

Обнаруженный режим может  генерировать пучок позитронов с энергией ГэВ с углом расхождения около 10° и общим зарядом 0,1 пКл. Результат открывает путь к экспериментальному наблюдению линейного процесса Брейта-Уилера и к приложениям, требующим позитронных пучков.

В заключение, учёные уже разгоняли ионы золота и других тяжёлых металлов до релятивистских скоростей. Что вело к столкновениям между фотонами при сближении ионов металлов, и в этих столкновениях рождались частицы и античастицы. Иначе говоря, фотон-фотонные взаимодействия порождали материю, что прекрасно регистрировалось научными приборами.