Физики СПБГУ приблизились к пониманию распада вакуума

30 июня 2021 года в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне проходит Международное совещание по сверхтяжелым элементам. Профессор кафедры квантовой механики СПбГУ Владимир Шабаев представил результаты масштабной многолетней работы, в которой принимали участие как опытные ученые, так и молодые сотрудники кафедры, включая студентов и аспирантов вуза. Предложенные методы позволили оценить роль эффектов, которые не учитывались ранее. Сейчас Шабаев с коллегами продолжают изучать более тонкие детали рассматриваемых процессов в области квантовой динамики.

Начиная с 1930-х годов были заложены основы квантовой теории поля. Владимир Шабаев отметил, что с самого начала теория предсказывала спонтанное рождение электрон-позитронных пар постоянным однородным электрическим полем,  напряженность которого больше критического значения. Подтвердить данную теорию в то время не удавалось. 

50 лет назад в работах советских физиков — Семена Герштейна, Якова Зельдовича, Владимира Попова (и независимо в работах немецкой группы под руководством Вальтера Грайнера) было показано, что в поле голого ядра с зарядом больше критического значения, равного 173, вакуум становится нестабильным. В данном случае могут спонтанно рождаться позитроны. В результате нейтральный вакуум распадается на заряженный вакуум и два позитрона.

Пока в природе не существует ядер с таким большим зарядом. Напомним, что заряд самого тяжелого из открытых к настоящему времени элементов, оганесона, равен 118. Чтобы создать сверхкритическое поле ученые стали сталкивать ядра с суммарным зарядом больше критического значения. Тем не менее, попытки экспериментального наблюдения этого эффекта не увенчались успехом.

Немецкие коллеги под руководством Вальтера Грайнера пришли к заключению, что распад вакуума можно будет экспериментально наблюдать только в случае, если сталкивающиеся ядра слипаются на какое-то время за счет ядерных сил. "Я особо не верил в идею слипания ядер в таких столкновениях", — заметил Владимир Шабаев.

В результате отечественной группе ученых удалось показать, что при определенной постановке экспериментов по измерению числа позитронов, родившихся в процессе низкоэнергетического столкновения двух голых ядер или голого ядра и нейтрального атома, можно выделить вклад спонтанного рождения позитронов. Этот процесс  однозначно свидетельствует о процессе распада вакуума в сверхкритическом кулоновском поле. При этом никакого слипания ядер не требуется.