Квантово-электродинамические каскады

Цель: поиск и исследование таких конфигураций электромагнитного поля, в которых за счет сильной локализации энергии импульсного излучения в пространстве и во времени могут быть достигнуты интенсивности, достаточные для наблюдения нелинейных свойств вакуума (например, генерации электрон-позитронных пар) при требуемой энергии, находящейся на уровне уже существующих или планируемых к созданию в ближайшем будущем лазерных систем. Генерация электрон-позитронных пар требует учета квантово-электродинамических (КЭД) эффектов, при этом процесс генерации пар в виде каскада (аналогично пробою в газе) может быть запущен при интенсивностях поля, заметно ниже швингеровского поля. Одной из наиболее перспективных возможностей, рассматриваемой в современных работах, является использование острой фокусировки излучения в виде обращенной дипольной волны.

Задачи:

1. Чсленное исследование линейной стадии развития электромагнитного каскада в поле нескольких пучков сфокусированных в форме E-и B-дипольных волн.

2. Исследование с помощью численного моделирования эволюции плазменных структур как на линейной, так и на нелинейной стадиях развития квантово-электродинамического каскада в поле нескольких лазерных пучков сфокусированных в форме дипольной волны. 

3. Исследование с помощью численного моделирования устойчивости режимов взаимодействия лазерного излучения с создаваемой им плазмой относительно вариации параметров лазерных пучков: амплитуда, точность фокусировки и синхронизации. Теоретическое исследование различных вариантов сильно локализованных конфигураций поля, создаваемых несколькими когерентно суммируемыми пучками, оптимальных для наблюдения нелинейности вакуума.

Основные результаты

В численном моделировании инициации и динамики электрон-позитронного каскада при облучении газовой среды 12 лазерными импульсами, фокусируемыми в форме электродипольной волны, установлено, что на расстоянии в пределах 20 мкм от фокуса газы воздуха можно считать полностью ионизованным. Также определены области пространства, откуда электроны, образовавшиеся при ионизации газа, могут достичь фокальной области и инициировать каскад. На основании полученных данных рассчитана минимальная концентрация газа, при которой возможен пробой газа. Минимальная концентрация составляет примерно 10^11 см^-3 в случае водорода и примерно 10^10 см^-3 в случае азота или кислорода, что соответствует сильно разреженной среде - высокому вакууму с давлением на уровне 10^-12-10^-11 атм. Определено, что для рассмотренного количества и длительности лазерных импульсов, пиковая пороговая мощность для пробоя вакуума составляет приблизительно 17 ПВт. Полученные результаты позволяют сделать важный практический вывод: при обеспечении достаточно разреженной газовой среды в экспериментальной камере во избежание нелинейных эффектов при распространении лазерного излучения, пробой вакуума возникнет почти наверняка, если суммарная мощность импульсов превысит 17 ПВт и для этого не потребуется специальных твердотельных мишеней или затравочных специально сформированных пучков частиц

Публикации в 2022 году:

1. Bashinov A.V., Efimenko E.S., Muraviev A.A., Volokitin V.D., Meyerov I.B., Leuchs, G., Sergeev A.M. and Kim A.V., Particle trajectories, gamma-ray emission, and anomalous radiative trapping effects in magnetic dipole wave. Physical Review E, 105(6), p.065202 (2022). 

2. Efimenko E. S., Bashinov A. V., Muraviev A. A., Volokitin V. D., Meyerov I. B., Leuchs G., Sergeev A. M., Kim A. V., Vacuum breakdown in magnetic dipole wave by 10-PW class lasers. Physical Review E, 106(1), p. 015201 (2022).