Антиматерия – это необычный материал. Столкновение обычной биты с бейсбольным мячом, изготовленным из антиматерии, приведет к взрыву, сопровождаемому вспышкой света. Данное вещество встречается преимущественно в удаленных областях Вселенной, на Земле его количество крайне незначительно. Тем не менее, исследователи приблизились к возможности его создания непосредственно из воздуха с помощью лазера.
Как они достигают этого? Электроны, двигаясь в обратном направлении, испускают свет — при этом интенсивность излучения возрастает с увеличением скорости. Эффективный метод, позволяющий добиться этого — взрывать их мощными лазерными импульсами. Электроны почти достигают скорости света, тем самым генерируя пучки гамма-лучей. Гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи, используемые, к примеру, в кабинетах врачей или на линиях безопасности в аэропортах, однако они имеют еще больше энергии, значительно уступая в размерах: этот луч такой же острый и тонкий, как игла для шитья.
Взаимодействие гамма-лучей, генерируемых электронами, может приводить к образованию пар, состоящих из материи и антиматерии, таких как электрон и позитрон. Специалисты из Лиссабонского университета предложили инновационный метод, позволяющий более результативно создавать такие пары. Итоги их исследований опубликованы в журнале American Physical Society.
«Для удержания электронов в ограниченном пространстве после излучения гамма-лучей, была создана «оптическая ловушка». Электроны удерживаются и повторно облучаются мощными лазерными импульсами, что позволяет генерировать еще больше пар частиц», — поясняет исследователь Мария Вланич.
Ловушка создана с использованием четырех лазеров, расположенных в одной плоскости и сфокусированных в единой точке. Пересечение лазерных лучей формирует двумерную волну с электрическими полями, как показано на рисунке выше. В центре находится нанопроволока, в сотни раз тоньше человеческого волоса. Электроны высвобождаются с поверхности проволоки и ускоряются до скорости, сопоставимой со скоростью света. При попадании в волну они теряют значительную часть своей энергии, излучая свет, и затем снова разгоняются. Фотоны, в свою очередь, порождают пары электронов и позитронов, которые также оказываются в ловушке. Данный процесс способен создать плотную плазму, состоящую из электронов и позитронов, которая в конечном итоге преобразует большую часть доступной лазерной энергии в гамма-излучение.
Ученый отмечает, что повторение процесса приводит к образованию новых пар в каскаде. Этот процесс продолжается до тех пор, пока образовавшиеся частицы не приобретут достаточной плотности. Исследователи считают, что подобные каскады возникают естественным образом в отдаленных областях Вселенной. В качестве примера можно привести быстро вращающиеся нейтронные звезды, известные как пульсары, которые обладают чрезвычайно сильными магнитными полями – в триллион раз превышающими магнитные поля Земли.
Изучение каскадов в лаборатории прольет свет на тайну астрофизической плазмы в экстремальных условиях, а лучи могут иметь промышленное и медицинское применение. Ученые уверяют в необходимости дальнейших исследований, чтобы найти более дешевые и эффективные источники для повсеместного использования.