Процесс Брейта – Уиллера - Breit–Wheeler process

Процесс Брейта – Уиллера - это создание пары электрон-позитрон после столкновения двух фотонов высокой энергии (гамма-фотонов).
Нелинейный процесс Брейта – Уиллера или многофотонный процесс Брейта – Уиллера - это создание пары электрон-позитрон в результате распада фотона высокой энергии (гамма-фотон ) взаимодействуя с сильным электромагнитным полем, таким как лазер.

В Процесс Брейта – Уиллера или же Производство пар Breit – Wheeler это физический процесс, в котором позитрон –электрон пара создается в результате столкновения двух фотоны. Это простейший механизм, с помощью которого чистый свет потенциально может быть преобразован в материю. Процесс может иметь вид γ γ ′ → e+ е− где γ и γ ′ - два кванта света.[1]

В многофотонный Брейт – Уиллер процесс, также называемый нелинейный Брейт – Уиллер или же сильное поле Брейта – Уиллера в литературе, является расширением чистого фотон-фотонного процесса Брейта-Уиллера, когда высокоэнергетический пробный фотон распадается на пары, распространяющиеся через электромагнитное поле (например, лазер пульс).[2] В отличие от предыдущего процесса, этот процесс может иметь вид γ + n ω → e+ е−, где ω - когерентные фотоны лазерного поля.

Обратный процесс, e+ е− → γ γ ', в котором электрон и позитрон сталкиваются и аннигилируют, чтобы произвести пару гамма-фотонов, известен как электрон-позитронная аннигиляция или процесс Дирака[3] по имени физика, который первым описал его теоретически и предвосхитил процесс Брейта – Уиллера.

Этот механизм теоретически характеризуется очень слабой вероятностью, поэтому для создания значительного числа пар требуются два чрезвычайно ярких коллимированных источника фотонов, имеющих энергия фотона близко или выше энергия покоя электронов и позитронов. Изготовив такой источник, гамма-лазер, по-прежнему остается технологической проблемой. Во многих экспериментальных конфигурациях в чистом виде Брейта – Уиллера преобладают другие более эффективные процессы создания пар, которые экранируют пары, созданные с помощью этого механизма.[2][4][5] Процесс Дирака (парная аннигиляция ), тем не менее, проверено экспериментально. То же самое и для многофотонного Брейта – Уиллера, наблюдавшегося на Стэнфордский центр линейных ускорителей в 1997 году путем столкновения высокоэнергетических электронов с встречным тераваттным лазерным импульсом.[6][7]

Хотя этот механизм все еще остается одним из самых трудных для экспериментального наблюдения на Земле, он имеет большое значение для поглощения фотонов высоких энергий, перемещающихся на космические расстояния.[8][9][5]

Фотон-фотонный и многофотонный процессы Брейта – Уиллера теоретически описываются теорией квантовая электродинамика.

История

Фотон-фотонный процесс Брейта-Уиллера теоретически описан Грегори Брейт и Джон А. Уиллер в 1934 г. в Физический обзор.[1] Он последовал за предыдущей теоретической работой Поль Дирак[3] по аннигиляции антивещества и пар. В 1928 году в работе Поля Дирака было предложено, что электроны могут иметь состояния с положительной и отрицательной энергией, следуя рамкам релятивистской квантовой теории, но не было явного предсказания существования новой частицы.

Экспериментальные наблюдения

Фотон – фотон Возможные экспериментальные конфигурации Брейта – Уиллера

Хотя процесс является одним из проявлений эквивалентность массы и энергии, по состоянию на 2017 г. чистый Брейт – Уиллер никогда не наблюдался на практике из-за сложности подготовки столкновения гамма-луч пучки и очень слабая вероятность этого механизма. Недавно разные команды предложили новые теоретические исследования возможных экспериментальных конфигураций, чтобы наконец наблюдать его на Земле.

В 2014 году физики Имперский колледж Лондон предложил относительно простой способ физической демонстрации процесса Брейта – Уиллера.[10] Коллайдерный эксперимент, предложенный физиками, включает два ключевых этапа. Во-первых, они использовали бы чрезвычайно мощный лазер высокой интенсивности для ускорения электронов почти до скорости света. Затем они запустили бы эти электроны в пластину золота, чтобы создать пучок фотонов в миллиард раз более энергичный, чем пучок видимого света. Следующий этап эксперимента включает в себя крошечную золотую банку, называемую Hohlraum (По-немецки «пустая комната»). Ученые запустят высокоэнергетический лазер на внутреннюю поверхность этого холраума, чтобы создать поле теплового излучения. Затем они направили бы пучок фотонов из первой стадии эксперимента через центр холлаума, заставляя фотоны от двух источников сталкиваться и образовывать электроны и позитроны. Тогда можно было бы обнаружить образование электронов и позитронов, когда они покидали емкость.[10] Моделирование Монте-Карло предполагают, что эта техника способна производить порядка 105 Пары Брейта-Уиллера в одном кадре.[11][12]

В 2016 г. была предложена и теоретически исследована вторая экспериментальная установка. [4] продемонстрировать и изучить процесс Брейта – Уиллера. Они предлагают столкнуть два источника фотонов высокой энергии (состоящих из некогерентных фотонов жесткого рентгеновского и гамма-излучения), генерируемых взаимодействием двух чрезвычайно интенсивных лазеров на твердых тонких фольгах или газовых струях. В грядущих поколениях чрезвычайно интенсивных короткоимпульсных лазеров взаимодействие лазера с твердой мишенью станет местом сильных радиационных эффектов, вызванных нелинейным обратным квантовым рассеянием. Этот эффект, до сих пор незначительный, станет доминирующим механизмом охлаждения для крайне релятивистских электронов, ускоренных выше уровня 100 МэВ на границе раздела лазер-твердое тело с помощью различных механизмов.

Многофотонные эксперименты Брейта – Уиллера

Многофотонность Брейта – Уиллера уже наблюдалась и изучалась экспериментально. Одна из наиболее эффективных конфигураций для максимального увеличения производства многофотонных пар Брейта-Уиллера состоит в столкновении лобового пучка гамма-фотонов с встречным (или с небольшим углом столкновения, при этом конфигурация совместного распространения является менее эффективной конфигурацией) лазерный импульс сверхвысокой интенсивности. Чтобы сначала создать фотоны, а затем создать пары в единой установке, аналогичная конфигурация может быть использована путем столкновения электронов гигаэлектронвольт (ГэВ). В зависимости от интенсивности лазера эти электроны сначала излучают гамма-фотоны посредством так называемой нелинейной обратной связи. Комптоновское рассеяние механизм при взаимодействии с лазерным импульсом. Все еще взаимодействуя с лазером, фотоны затем превращаются в многофотонные электронно-позитронные пары Брейта – Уиллера.

Этот метод был рассмотрен в 1997 г. Стэнфордский центр линейных ускорителей. Исследователи смогли провести многофотонный процесс Брейта-Уиллера, используя электроны, чтобы сначала создать фотоны высокой энергии,[13] которые затем претерпели несколько столкновений с образованием электронов и позитронов внутри одной камеры.[6][7][14] Электроны были ускорены в линейном ускорителе до энергии 46,6 ГэВ перед отправкой прямо на неодим (неодим: стекло). линейно поляризованный лазер интенсивностью 1018 Вт / см2 (максимальная электрическое поле амплитуда около 6 × 109 В / м), из длина волны 527 нм и длительность 1,6 пикосекунды. Было подсчитано, что в этих конфигурациях генерируются фотоны с энергией до 29 ГэВ. Это привело к выходу 106-14 позитронов с широким энергетическим спектром на уровне ГэВ (пик около 13 ГэВ).

Последний эксперимент может быть воспроизведен в будущем на SLAC с более мощными современными лазерными технологиями. Использование более высоких интенсивностей лазера (1020 Вт / см2 теперь легко достижимо с короткими импульсами под ключ титан-сапфировый лазер решения) значительно повысит эффективность процесса (создание обратной нелинейной комптоновской пары и нелинейной пары Брейта-Уиллера), что приведет к увеличению производства антивещества на несколько порядков. Это может позволить выполнять измерения с высоким разрешением, а также характеризовать дополнительные эффекты сдвига массы, нелинейные и спиновые эффекты.[15]

Экстремальные интенсивности, которые, как ожидается, будут доступны в будущих многопетаваттных лазерных системах, позволят использовать полностью оптические схемы столкновения лазерных электронов. В полностью оптической конфигурации электронный луч генерируется в результате взаимодействия лазера со струей газа в так называемом режим лазерного кильватерного ускорения. Электронный сгусток взаимодействует со вторым мощным лазером с целью изучения процессов КЭД. Возможность создания полностью оптической многофотонной схемы рождения пар Брейта – Уиллера была впервые теоретически продемонстрирована в работе.[16] Таким образом, эта схема ограничена многолучевыми короткоимпульсными лазерными установками экстремальной интенсивности, как и в случае с CILEX-Apollon.[17] и ELI системы[18] (Титан-сапфировая технология CPA на 0,8 микрометра, продолжительность 15-30 фемтосекунд). Генерация электронных пучков в несколько ГэВ и в несколько нанокулонов возможна с помощью первого лазера мощностью 1 петаватт в сочетании с использованием настроенных и оптимизированных профилей плотности газовой струи, таких как двухступенчатые профили. Сильная генерация пар может быть достигнута путем прямого столкновения этого электронного луча со вторым лазером с интенсивностью выше 1022 Вт / см2. В этой конфигурации на таком уровне интенсивности теоретические исследования предсказывают, что может быть произведено несколько сотен пикокулонов антивещества.[19] Эта экспериментальная установка может быть даже одной из самых плодотворных фабрик по производству позитронов. Этот полностью оптический сценарий может быть предварительно протестирован с более низкой интенсивностью лазерного излучения порядка 1021 Вт / см2.

Рекомендации

  1. ^ а б Дж. Брейт и Джон А. Уиллер (15 декабря 1934 г.). «Столкновение двух световых квантов». Физический обзор. 46 (12): 1087–1091. Bibcode:1934ПхРв ... 46.1087Б. Дои:10.1103 / PhysRev.46.1087.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  2. ^ а б А. И. Титов, Б. Кемпфер, Х. Такабе, А. Хосака (10 апреля 2013 г.). «Процесс Брейта – Уиллера в очень коротких электромагнитных импульсах». Физический обзор. 87 (4): 042106. arXiv:1303.6487. Bibcode:2013PhRvA..87d2106T. Дои:10.1103 / PhysRevA.87.042106.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  3. ^ а б Дирак, П. а. М. (июль 1930 г.). «Об аннигиляции электронов и протонов». Математические труды Кембриджского философского общества. 26 (3): 361–375. Bibcode:1930PCPS ... 26..361D. Дои:10.1017 / S0305004100016091. ISSN  1469-8064.
  4. ^ а б Ribeyre, X .; d'Humières, E .; Jansen, O .; Jequier, S .; Тихончук, В. Т .; Лобет, М. (2016). «Создание пар при столкновении пучков γ-квантов, создаваемых высокоинтенсивными лазерами». Физический обзор E. 93 (1): 013201. arXiv:1504.07868. Bibcode:2016PhRvE..93a3201R. Дои:10.1103 / PhysRevE.93.013201. ISSN  2470-0045. PMID  26871177. Прямое образование электрон-позитронных пар в двухфотонных столкновениях, процесс Брейта – Уиллера, является одним из основных процессов во Вселенной. Однако его никогда не наблюдали напрямую в лаборатории из-за отсутствия интенсивных источников гамма-излучения.
  5. ^ а б Руффини, Ремо; Верещагин Григорий; Сюэ, Шэ-Шэн (01.02.2010). «Электрон-позитронные пары в физике и астрофизике: от тяжелых ядер до черных дыр». Отчеты по физике. 487 (1): 1–140. arXiv:0910.0974. Bibcode:2010ФР ... 487 .... 1Р. Дои:10.1016 / j.physrep.2009.10.004.
  6. ^ а б Bamber, C .; Boege, S.J .; Коффас, Т .; Коцероглоу, Т .; Melissinos, A.C .; Meyerhofer, D. D .; Reis, D. A .; Ragg, W .; Була, К. (1999-11-01). «Исследование нелинейной КЭД при столкновении электронов 46,6 ГэВ с интенсивными лазерными импульсами». Физический обзор D. 60 (9): 092004. Bibcode:1999ПхРвД..60и2004Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.60.092004. ISSN  1550-7998.
  7. ^ а б Bamber, C .; Berridge, S.C .; Boege, S.J .; Bugg, W. M .; Bula, C .; Burke, D. L .; Филд, R.C .; Horton-Smith, G .; Коффас, Т. (25 февраля 1997 г.). «Рождение позитронов в многофотонном рассеянии света». Материалы конференции AIP. 396 (1): 165–177. Bibcode:1997AIPC..396..165B. CiteSeerX  10.1.1.388.7683. Дои:10.1063/1.52962. ISSN  0094-243X.
  8. ^ Никишов, А.И. (1961-08-01). «Поглощение фотонов высоких энергий во Вселенной». Журнал экспериментальной и теоретической физики (на русском). 41. OSTI  4836265.
  9. ^ Гулд, Роберт Дж .; Шредер, Жерар П. (1967-03-25). «Рождение пар при фотон-фотонных столкновениях». Физический обзор. 155 (5): 1404–1407. Bibcode:1967ПхРв..155.1404Г. Дои:10.1103 / PhysRev.155.1404.
  10. ^ а б «Ученые открыли, как превратить свет в материю после 80-летнего поиска». Phys.org. 18 мая 2014 г.. Получено 24 июля 2015.
  11. ^ О. Дж. Пайк, Ф. Маккенрот, Э. Г. Хилл и С. Дж. Роуз (18 мая 2014 г.). «Фотон-фотонный коллайдер в вакуумном хольрауме». Природа Фотоника. 8 (6): 434–436. Bibcode:2014НаФо ... 8..434P. Дои:10.1038 / nphoton.2014.95.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  12. ^ Томас, Александр (июнь 2014 г.). «Оптическая физика: создание антиматерии в рентгеновской ванне». Природа Фотоника. 8 (6): 429–431. Bibcode:2014НаФо ... 8..429т. Дои:10.1038 / nphoton.2014.118. ISSN  1749-4885.
  13. ^ Bula, C .; Макдональд, К. Т .; Prebys, E.J .; Bamber, C .; Boege, S .; Коцероглоу, Т .; Melissinos, A.C .; Meyerhofer, D. D .; Рэгг, В. (1996-04-22). «Наблюдение нелинейных эффектов в комптоновском рассеянии». Письма с физическими проверками. 76 (17): 3116–3119. Bibcode:1996ПхРвЛ..76.3116Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.76.3116. PMID  10060879. Архивировано из оригинал на 2019-06-21. Получено 2019-06-21.
  14. ^ Акшат Рати (19 мая 2014 г.). ""Сверхновая в бутылке «может помочь создать материю из света». Ars Technica. Получено 20 мая 2014.
  15. ^ Hartin, A .; Porto, S .; Мортгат-Пик, Г. (2014-04-03). «Тестирование нелинейной КЭД на будущем линейном коллайдере с интенсивным лазером». arXiv:1404.0810 [геп-ph ].
  16. ^ Соколов, Игорь В .; Наумова Наталья М .; Nees, John A .; Муру, Жерар А. (2010-11-04). «Создание пар в QED-сильных импульсных лазерных полях, взаимодействующих с электронными лучами». Письма с физическими проверками. 105 (19): 195005. arXiv:1009.0703. Bibcode:2010ПхРвЛ.105с5005С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.195005. PMID  21231176.
  17. ^ Cros, B .; Paradkar, B.S .; Davoine, X .; Chancé, A .; Desforges, F. G .; Dobosz-Dufrénoy, S .; Delerue, N .; Ju, J .; Одет, Т. Л. (11 марта 2014 г.). «Лазерное плазменное ускорение электронов многополосными лазерными пучками в системе CILEX». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. Труды первого Европейского семинара по продвинутым концепциям акселераторов 2013. 740: 27–33. Bibcode:2014NIMPA.740 ... 27C. Дои:10.1016 / j.nima.2013.10.090.
  18. ^ Муру, Жерар; Таджима, Тошики (01.07.2011). «Инфраструктура экстремального освещения: новый горизонт оптики». Новости оптики и фотоники. 22 (7): 47–51. Дои:10.1364 / OPN.22.7.000047. ISSN  1541-3721.
  19. ^ Lobet, M .; Davoine, X .; d’Humières, E .; Гремийе, Л. (2017). «Генерация высокоэнергетических электрон-позитронных пар при столкновении лазерно-ускоренного электронного пучка с многопетаваттным лазером». Специальные темы Physical Review: ускорители и пучки. 20 (4): 043401. Bibcode:2017ПхРвС..20д3401Л. Дои:10.1103 / Physrevaccelbeams.20.043401.