Процесс Брейта–Уиллера или рождение пар Брейта–Уиллера — это предложенный физический процесс, в котором пара позитрон – электрон создается из столкновения двух фотонов . Это простейший механизм, посредством которого чистый свет может быть потенциально преобразован в материю. Процесс может иметь вид γ γ′ → e + e −, где γ и γ′ — два кванта света (например, гамма-фотоны ). [1]
Многофотонный процесс Брейта-Уиллера , также называемый в литературе нелинейным процессом Брейта-Уиллера или сильным полем Брейта-Уиллера , происходит, когда высокоэнергетический пробный фотон распадается на пары, распространяющиеся через сильное электромагнитное поле (например, лазерный импульс). [2] В отличие от линейного процесса, это может иметь вид γ + n ω → e + e − , где n представляет собой число фотонов, а ω представляет собой когерентное лазерное поле.
Обратный процесс, e + e − → γ γ′, в котором электрон и позитрон сталкиваются и аннигилируют, образуя 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 с энергией фотонов , близкой или превышающей энергию покоя электрона и позитрона . Изготовление такого источника, например, гамма-лазера , все еще является технологической проблемой. Во многих экспериментальных конфигурациях чистый Брейт-Уилер доминирует над другими более эффективными процессами создания пар, которые экранируют пары, созданные с помощью этого механизма. [2] [4] [5] Процесс Дирака ( уничтожение пар ), с другой стороны, был тщательно проверен. Это также относится к многофотонному Брейт-Уилеру, который наблюдался в Стэнфордском линейном ускорительном центре в 1997 году путем столкновения высокоэнергетических электронов с встречным тераваттным лазерным импульсом. [6] [7]
Хотя этот механизм по-прежнему остается одним из самых сложных для экспериментального наблюдения на Земле, он имеет большое значение для поглощения высокоэнергетических фотонов, перемещающихся на космические расстояния. [8] [9] [5]
Фотон-фотонный и многофотонный процессы Брейта-Уиллера теоретически описываются теорией квантовой электродинамики .
Фотон-фотонный процесс Брейта-Уиллера был теоретически описан Грегори Брейтом и Джоном А. Уилером в 1934 году в Physical Review . [1] Он последовал за предыдущей теоретической работой Поля Дирака [3] по антиматерии и аннигиляции пар. В 1928 году работа Поля Дирака предположила, что электроны могут иметь положительные и отрицательные энергетические состояния, следуя структуре релятивистской квантовой теории, но явно не предсказала существование новой частицы.
Хотя этот процесс является одним из проявлений эквивалентности массы и энергии , по состоянию на 2017 год чистый Брейт-Уилер никогда не наблюдался на практике из-за сложности подготовки встречных пучков гамма-лучей и очень слабой вероятности этого механизма. Недавно разные группы предложили новые теоретические исследования возможных экспериментальных конфигураций, чтобы наконец наблюдать его на Земле.
В 2014 году физики из Имперского колледжа Лондона предложили относительно простой способ физической демонстрации процесса Брейта-Уиллера. [10] Эксперимент с коллайдером, предложенный физиками, включает два ключевых шага. Во-первых, они будут использовать чрезвычайно мощный лазер высокой интенсивности для ускорения электронов почти до скорости света. Затем они будут стрелять этими электронами в пластину золота, чтобы создать пучок фотонов в миллиард раз более энергичный, чем у видимого света. Следующий этап эксперимента включает крошечную золотую банку, называемую hohlraum (по-немецки «пустая комната» или «полость»). Ученые будут стрелять высокоэнергетическим лазером по внутренней поверхности этого hohlraum, чтобы создать поле теплового излучения. Затем они будут направлять пучок фотонов с первой стадии эксперимента через центр hohlraum, заставляя фотоны из двух источников сталкиваться и образовывать электроны и позитроны. Тогда можно будет обнаружить образование электронов и позитронов, когда они покидают банку. [10] Моделирование Монте-Карло показывает, что эта техника способна производить порядка 10 5 пар Брейта-Уиллера за один выстрел. [11] [12]
В 2016 году была теоретически предложена вторая новая экспериментальная установка [4] для демонстрации и изучения процесса Брейта-Уиллера путем столкновения двух источников фотонов высокой энергии (состоящих из некогерентных жестких рентгеновских и гамма-фотонов), полученных в результате взаимодействия двух чрезвычайно интенсивных лазеров на твердых тонких фольгах или газовых струях. Будущие короткоимпульсные чрезвычайно интенсивные лазеры, лазерное взаимодействие с твердой мишенью станут местом сильных радиационных эффектов, вызванных нелинейным обратным квантовым рассеянием. Этот эффект, пренебрежимо малый до сих пор, станет доминирующим механизмом охлаждения для чрезвычайно релятивистских электронов, ускоренных выше уровня 100 МэВ на границе лазер-твердое тело с помощью различных механизмов.
Многофотонный процесс Брейта-Уиллера уже наблюдался и изучался экспериментально. Одна из наиболее эффективных конфигураций для максимизации многофотонного производства пар Брейта-Уиллера состоит в лобовом столкновении пучка гамма-фотонов с встречно распространяющимся (или с небольшим углом столкновения, конфигурация сораспространения является менее эффективной) лазерным импульсом сверхвысокой интенсивности. Чтобы сначала создать фотоны, а затем получить рождение пар в установке «все в одном», можно использовать похожую конфигурацию, сталкивая электроны ГэВ . В зависимости от интенсивности лазера эти электроны сначала будут излучать гамма-фотоны через так называемый нелинейный механизм обратного комптоновского рассеяния при взаимодействии с лазерным импульсом. Все еще взаимодействуя с лазером, фотоны затем превращаются в многофотонные электрон-позитронные пары Брейта-Уиллера.
Этот метод был использован в 1997 году в Стэнфордском линейном ускорительном центре . Исследователи смогли провести многофотонный процесс Брейта-Уиллера, используя электроны, чтобы сначала создать высокоэнергетические фотоны, [13] которые затем подверглись многократным столкновениям, чтобы произвести электроны и позитроны, все в одной камере. [6] [7] [14] Электроны были ускорены в линейном ускорителе до энергии 46,6 ГэВ, прежде чем были отправлены лоб в неодимовый (Nd:glass) линейный поляризованный лазер интенсивностью 10 18 Вт/см 2 (максимальная амплитуда электрического поля около 6×10 9 В/м), длиной волны 527 нанометров и длительностью 1,6 пикосекунды. В этой конфигурации было подсчитано, что были получены фотоны с энергией до 29 ГэВ. Это привело к выходу 106 ±14 позитронов с широким энергетическим спектром на уровне ГэВ (пик около 13 ГэВ).
Вышеупомянутый эксперимент может быть воспроизведен в будущем в SLAC с более мощными лазерными технологиями. Использование более высоких интенсивностей лазера (10 20 Вт/см 2 ) теперь легко достижимо с помощью короткоимпульсных титан-сапфировых лазерных решений, которые значительно повысят эффективность процесса (обратное нелинейное создание пар Комптона и нелинейное создание пар Брейта-Уиллера), что приведет к производству антиматерии на несколько порядков выше, что позволит проводить измерения с более высоким разрешением, дополнительное смещение массы, а также нелинейные и спиновые эффекты. [15]
Ожидается, что экстремальные интенсивности, которые будут доступны в будущих многопетаваттных лазерных системах, позволят проводить полностью оптические эксперименты по столкновению лазера с электронами, в которых электронный пучок генерируется из прямого взаимодействия лазера с газовой струей в так называемом режиме ускорения лазерного кильватерного поля . Затем полученный электронный сгусток взаимодействует со вторым мощным лазером для изучения процессов QED. Возможность полностью оптической многофотонной схемы производства пар Брейта-Уиллера была впервые теоретически предложена в [16]. Реализация этой схемы ограничена многолучевыми короткоимпульсными лазерными установками экстремальной интенсивности, такими как системы CILEX-Apollon [17] и ELI [18] (технология титан-сапфира CPA на 0,8 микрометра, длительность 15–30 фемтосекунд). Генерация электронных пучков в несколько ГэВ и несколько нанокулонов возможна с первым лазером мощностью 1 петаватт в сочетании с использованием настроенных и оптимизированных профилей плотности газовой струи, таких как двухступенчатые профили. Сильную генерацию пар можно достичь путем лобового столкновения этого электронного пучка со вторым лазером с интенсивностью выше 10 22 Вт/см 2 . В этой конфигурации на этом уровне интенсивности теоретические исследования предсказывают, что в этой конфигурации на этом уровне интенсивности может быть произведено несколько сотен пикокулонов антиматерии. [19] Эта экспериментальная установка может быть даже одной из самых производительных фабрик по выходу позитронов. Этот полностью оптический сценарий может быть предварительно протестирован с более низкими интенсивностями лазера порядка 10 21 Вт/см 2 .
В июле 2021 года детектор STAR, один из четырех экспериментов на релятивистском коллайдере тяжелых ионов, сообщил о доказательствах, согласующихся с этим процессом, хотя было неясно, было ли это связано с безмассовыми фотонами или массивными виртуальными фотонами, также было изучено вакуумное двупреломление, что дало достаточно доказательств, чтобы заявить о первом известном наблюдении этого процесса. [20] [21] [22]
Прямое образование пар электрон–позитрон в двухфотонных столкновениях, процесс Брейта–Уиллера, является одним из основных процессов во Вселенной. Однако он никогда не наблюдался напрямую в лабораторных условиях из-за отсутствия достаточно интенсивных источников γ-излучения