Дослідники з Оксфордського університету та Вищого технічного інституту в Лісабоні провели 3D-моделювання в реальному часі, показуючи, як інтенсивні лазерні промені взаємодіють з квантовим вакуумом — простором, який насправді не є порожнім, а заповнений короткоживучими електрон-позитронними парами. Їхня робота, опублікована в Communications Physics, пропонує детальний погляд на те, що відбувається, коли світло ніби походить з «темряви», що трохи схоже на магію з погляду класичної фізики.
Використовуючи високотехнологічну версію програмного забезпечення для моделювання OSIRIS (скорочення від Outdoor Scene and InfraRed Image Simulation), команда відтворила явище, яке називається вакуумним чотирихвильовим змішуванням. У цьому процесі електромагнітні поля від трьох сильних лазерних імпульсів поляризують віртуальні частинки у вакуумі, змушуючи фотони відбиватися один від одного, що призводить до появи четвертого лазерного променя.
«Це не просто академічна цікавість – це важливий крок до експериментального підтвердження квантових ефектів, які досі були здебільшого теоретичними», – сказав професор Пітер Норрейс з Оксфордського факультету фізики.
Цю роботу робить своєчасною глобальне впровадження багатопетаватних лазерних систем, здатних генерувати надзвичайно сильні електромагнітні поля. Очікується, що такі установки, як Vulcan 20-20 у Великій Британії, ELI в Європі, SHINE та SEL у Китаї, а також двопроменевий лазер OPAL (оптична параметрична підсилювальна лінія) у США, досягнуть рівнів потужності, необхідних для спостереження цих рідкісних квантових ефектів у реальних експериментах.
Щоб зробити свої симуляції точнішими, дослідники використали напівкласичний числовий розв’язувач, заснований на лагранжіані Гейзенберга-Ейлера. Цей підхід дозволив їм змоделювати два основні ефекти квантового вакууму та перевірити свої результати з відомими прогнозами щодо вакуумного подвійного променезаломлення – явища, коли світло розщеплюється або зміщується, проходячи через сильне електромагнітне поле.
Вони протестували як плоскохвильові, так і гауссові лазерні імпульси та виявили, що їхні вихідні сигнали добре відповідають існуючим теоріям. Для випадку чотирихвильового змішування вони використовували три гауссові пучки та змогли відстежувати формування четвертого пучка з часом. Моделювання також показало невеликий астигматизм – коли вихідний пучок не мав ідеальної форми – та дало чіткі вимірювання тривалості взаємодії та розміру ураженої ділянки.
«Наша комп’ютерна програма надає нам тривимірне вікно з роздільною здатністю в часі у квантові вакуумні взаємодії, які раніше були недоступні», — сказав провідний автор Цзісінь Чжан, докторант Оксфордського університету. «Застосувавши нашу модель до експерименту з розсіюванням трьох променів, ми змогли охопити повний спектр квантових сигнатур, а також детально зрозуміти область взаємодії та ключові часові шкали».
Команда порівняла свої результати з простішими моделями та попередніми даними, щоб переконатися, що все підтверджено. Очікується, що ці інструменти допоможуть вченим розробляти реальні експерименти з більшим контролем над часом, формою та напрямком лазера.
Професор Луїс Сілва, співавтор з Інституту вищого технічного інституту та запрошений професор в Оксфорді, сказав: «Широкий спектр запланованих експериментів на найсучасніших лазерних установках буде значною мірою сприйнятий нашим новим обчислювальним методом, впровадженим в OSIRIS. Поєднання надінтенсивних лазерів, найсучаснішого детектування, передового аналітичного та числового моделювання є основою нової ери у взаємодії лазера з речовиною, яка відкриє нові горизонти для фундаментальної фізики».
Цю роботу робить своєчасною глобальне впровадження багатопетаватних лазерних систем, здатних генерувати надзвичайно сильні електромагнітні поля. Очікується, що такі установки, як Vulcan 20-20 у Великій Британії, ELI в Європі, SHINE та SEL у Китаї, а також двопроменевий лазер OPAL (оптична параметрична підсилювальна лінія) у США, досягнуть рівнів потужності, необхідних для спостереження цих рідкісних квантових ефектів у реальних експериментах.
Щоб зробити свої симуляції точнішими, дослідники використали напівкласичний числовий розв’язувач, заснований на лагранжіані Гейзенберга-Ейлера. Цей підхід дозволив їм змоделювати два основні ефекти квантового вакууму та перевірити свої результати з відомими прогнозами щодо вакуумного подвійного променезаломлення – явища, коли світло розщеплюється або зміщується, проходячи через сильне електромагнітне поле.
Вони протестували як плоскохвильові, так і гауссові лазерні імпульси та виявили, що їхні вихідні сигнали добре відповідають існуючим теоріям. Для випадку чотирихвильового змішування вони використовували три гауссові пучки та змогли відстежувати формування четвертого пучка з часом. Моделювання також показало невеликий астигматизм – коли вихідний пучок не мав ідеальної форми – та дало чіткі вимірювання тривалості взаємодії та розміру ураженої ділянки.
«Наша комп’ютерна програма надає нам тривимірне вікно з роздільною здатністю в часі у квантові вакуумні взаємодії, які раніше були недоступні», — сказав провідний автор Цзісінь Чжан, докторант Оксфордського університету. «Застосувавши нашу модель до експерименту з розсіюванням трьох променів, ми змогли охопити повний спектр квантових сигнатур, а також детально зрозуміти область взаємодії та ключові часові шкали».
Команда порівняла свої результати з простішими моделями та попередніми даними, щоб переконатися, що все підтверджено. Очікується, що ці інструменти допоможуть вченим розробляти реальні експерименти з більшим контролем над часом, формою та напрямком лазера.
Професор Луїс Сілва, співавтор з Інституту вищого технічного інституту та запрошений професор в Оксфорді, сказав: «Широкий спектр запланованих експериментів на найсучасніших лазерних установках буде значною мірою сприяний нашим новим обчислювальним методом, впровадженим в OSIRIS. Поєднання надінтенсивних лазерів, найсучаснішого детектування, передового аналітичного та числового моделювання є основою нової ери у взаємодії лазера з речовиною, яка відкриє нові горизонти для фундаментальної фізики».
Інструмент моделювання також може допомогти в пошуку нових частинок, таких як аксіони та мілізаряджені частинки, які вважаються сильними кандидатами на роль темної матерії. Джерело