Используя передовое вычислительное моделирование, исследовательская группа под руководством Оксфордского университета впервые в истории в реальном времени провела трехмерное моделирование того, как интенсивные лазерные лучи изменяют «квантовый вакуум» — состояние, которое раньше считалось пустым, но которое, как предсказывает квантовая физика, наполнено виртуальными электронно-позитронными парами. Результаты опубликованы в журнале Communications Physics.
Удивительно, но эти симуляции воссоздают странное явление, предсказанное квантовой физикой, известное как четырехволновое смешение в вакууме. Оно гласит, что объединенное электромагнитное поле трех сфокусированных лазерных импульсов может поляризовать виртуальные электронно-позитронные пары вакуума, заставляя фотоны отскакивать друг от друга, как бильярдные шары, и генерировать четвертый лазерный луч в процессе «света из тьмы». Эти явления могут быть полезными для изучения новой физики при чрезвычайно высоких интенсивностях.
«Это не просто академическое любопытство — это большой шаг к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими», — сказал соавтор исследования профессор Питер Норрейс.
Работа появилась как раз вовремя, когда начинает работать новое поколение сверхмощных лазеров. Такие установки должны обеспечить достаточно высокие уровни мощности, чтобы впервые подтвердить рассеяние фотонов друг другом в лабораторных условиях. Моделирование проводилось с помощью усовершенствованной версии OSIRIS, программного пакета для моделирования взаимодействия лазерных пучков с веществом или плазмой.
Ведущий автор работы Зиксин Чжан сказала: «Наша компьютерная программа дает трехмерное окно в квантовое взаимодействие вакуума, которое ранее было недоступно. Применив нашу модель к эксперименту по трехлучевому рассеянию, мы смогли зафиксировать весь спектр квантовых признаков, а также детально изучить область взаимодействия и ключевые временные масштабы. Проведя тщательную проверку моделирования, мы теперь можем обратить внимание на более сложные исследовательские сценарии, включая экзотические структуры лазерных пучков и импульсы с летающей фокусировкой».
Очень важно, что эти модели предоставляют детали, на которые опираются экспериментаторы при разработке точных, реальных испытаний, включая реалистичные формы лазеров и длительности импульсов. Моделирование также открывает новые возможности, включая то, как эти взаимодействия развиваются в реальном времени и как тонкие асимметрии в геометрии пучка могут изменить результат.
По мнению команды, этот инструмент не только поможет в планировании будущих экспериментов с высокоэнергетическими лазерами, но и может быть полезен в поиске признаков гипотетических частиц, таких как аксионы и миллизарядные частицы — потенциальных кандидатов на темную материю.
Соавтор исследования профессор Луис Сильва добавил: «Широкий спектр запланированных экспериментов на самых передовых лазерных установках будет значительно облегчен благодаря нашему новому вычислительному методу, реализованному в OSIRIS. Сочетание сверхинтенсивных лазеров, современного детектирования, передового аналитического и численного моделирования является основой для новой эры во взаимодействии лазера с веществом, которая откроет новые горизонты фундаментальной физики».
