Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Как работает фотонный коллайдер?

Ключевые слова:  Комментарии, Материя, периодика, Свет, Свет-позитронные пары, Фотон-фотонные взаимодействия, Фотонный коллайдер

Автор(ы): Постнаука

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

01 июня 2014

Недавно в журнале Nature Photonics была опубликована статья «A photon–photon collider in a vacuum hohlraum», в которой авторы предложили схему фотон-фотонного коллайдера, с помощью которого можно превращать «чистый» свет в материю, то есть кванты света в электрон-позитронные пары γγ→e+e-. Эксперт в области фотон-фотонных взаимодействий, доктор физико-математических наук Валерий Тельнов, рассказывает о рождении электрон-позитронных пар, высокоэнергетичных фотонах и взаимодействии света с материей.

Сообщение об этой статье появилось на следующий же день в СМИ со словами «ученые придумали фотонный коллайдер, установку, в которой фотоны (безмассовые частицы света) превращаются в массивные частицы, которая, по мнению авторов, окажется полезной для исследования процессов, происходящих в первые минуты существования Вселенной». Такая лексика довольно типична для статей, публикуемых в Nature. Сразу скажу, что предложенный метод весьма оригинальный, но вряд ли он даст что-то новое для физики частиц. То, что предлагается изучать, уже хорошо исследовано, и существуют намного более эффективные и чистые методы превращения фотонов в массивные частицы, включая Хиггсовский бозон.

Для того чтобы родить пару заряженных частиц при лобовом столкновении двух фотонов, произведение их энергий должно быть больше массы рождаемых частиц в квадрате (ω1ω2>m2c4). Так, если один из фотонов имеет энергию равную 1 эВ (лазерный фотон), то для рождения электрон-позитронной пары второй фотон должен иметь энергию 250 ГэВ. Интенсивных фотонных пучков таких энергий пока нет.photon collider

Авторы статьи предлагают в качестве одного из источников фотонов (вместо лазера) использовать hohlraum, применяемый в экспериментах по инерционному термоядерному синтезу. Внутри полого цилиндрика из тяжелого металла (золота, Au) диаметром несколько миллиметров c помощью мощного лазера (сотни кДж) создается очень высокая температура, так что внутри полости образуются тепловые фотоны с температурой 3•106 K и плотностью n~5∙1020 см-3. Средняя энергия таких фотонов составляет несколько сотен эВ, так что для рождения e+e- пар в этом случае потребуется запустить в hohlraum фотоны с энергией порядка 300 МэВ, что нетрудно сделать, пропуская электроны с энергией ~500-1000 МэВ через металлическую пластинку, где образуются тормозные фотоны. Число фотонов с энергией больше половины исходной энергии электрона составляет порядка 10 %. При пролете такого фотона через hohlraum длиной 1 см с вероятность ~10-4 может родиться e+e- пара. Если пучок содержит 108 энергичных фотонов, то за один пролет образуется порядка 104 e+e- пар. Именно это предлагается в статье.

Прежде чем говорить о современном состоянии проблемы и значимости данного предложения, следует сказать, что даже демонстрация вышесказанного представляет большую проблему. Для накачки hohlraum требуются самые мощные лазерные системы, при этом hohlraum испаряются после каждого выстрела. Очень сложно получить узкий пучок высокоэнергичных фотонов, которые попадают в апертуру в 1 мм hohlraum, не задевая стенок. Вероятность рождения e+e- пары при столкновении с тепловыми фотонами всего 10-4, а при цеплянии высокоэнергичного фотона за материал hohlraum e+e- пары образуются со 100 % вероятностью, то есть в гало пучка фотонов должно быть менее 10-4, что вряд ли возможно. Измерить упругое рассеяние фотонов в этой схеме невозможно, так как рассеянные фотоны неотличимы от фотонов в исходном пучке.

Перейдем к научной значимости предложения и сравнению с тем, что уже имеется. Процесс превращения двух фотонов в электрон-позитронную пару (γγ→e+e-, процесс Брейта-Уилера) был рассчитан в 1934 году. Вопрос в том, где взять высокоэнергичные фотоны. В том же году Ландау и Лифшиц рассчитали другой процесс e+e-→e+e-γ*γ*→e+e-e+e- (здесь γ* — виртуальный фотон), который напрямую связан с процессом Брейта-Уилера. В процессе Ландау-Лифшица e+e-пары (или другая система частиц X) рождаются виртуальными фотонами, которые как шуба сопровождают заряженные частицы. Другими словами, электромагнитное поле релятивистской заряженной частицы можно разложить в спектр почти реальных фотонов со спектром dnγ≈0.04 dω/ω. Эти фотоны не совсем реальные, большая их часть имеет массы порядка m*c2~ω/γ, где где релятивистский параметр γ=Ee/mec2. Коллайдеры со встречными e+e- пучками имеют γ~103-105, тогда наличие небольшой массы у виртуальных фотонов не имеет существенного значения, они ведут себя как реальные фотоны. Отбирая специально события, где конечные электроны рассеялись на заметный угол, можно изучать процессы с массивными фотонами (m*c2~Eθ), что представляет не меньший интерес.

Впервые процесс ЛЛ был зарегистрирован в Новосибирске в 1969 году на установке ВЭПП-2, это ознаменовало начало эры двухфотонной физики. В 1978 году мне посчастливилось впервые выделить процесс рождения С-четных резонансов с массой около 1 ГэВ при столкновении двух фотонов. Двухфотонные процессы изучались и продолжают исследоваться на всех установках со встречными e+e- пучками, а также в столкновениях протонов и ионов на Большом адронном коллайдере. Рождаемые в двухфотонных столкновениях массы достигают сотен ГэВ, изучено очень много двухфотонных реакций и сама структура фотона.

По сравнению с e+e- или pp-столкновениями γ*γ*-столкновения имеют недостаток в том, что число виртуальных фотонов заметно меньше, чем число исходных заряженных частиц, и их спектр достаточно мягкий, поэтому получается меньшее количество событий (взаимодействий). Для решения этой проблемы мной и коллегами был предложен в 1981 годуфотон-фотонный коллайдер с высокой энергией и светимостью, где высокоэнергичные фотоны получаются путем рассеяния лазерных фотонов на высокоэнергичных электронных пучках. Поскольку при получении фотонов электронные пучки гибнут, то для этих целей лучше всего подходит линейный e+e- коллайдер, где пучки используются однократно. Фотонный коллайдер (γγ,γe) рассматривается как естественная часть будущих линейных коллайдеров. На таком фотонном коллайдере энергия и светимость получаются примерно такие же, как и у исходных электронных пучков (позитроны не требуются). При столкновении фотонов будут рождаться одиночные Хиггсовские бозоны (десятки тысяч на год). Рождение любых новых заряженных частиц будет происходить примерно с той же производительностью, как и в e+e--столкновениях, но в несколько других процессах.

Следовательно, фотонные коллайдеры уже давно существуют и активно развиваются. Может ли фотонный коллайдер на базе hohlraum что-то добавить нового в «изучение ранней Вселенной»? Вряд ли. Слишком низкая энергия и большие фоны. Могут рождаться только электрон-позитронные пары. Но если очень хочется рождать их именно настоящими (не виртуальными) фотонами (авторы это подчеркивают), то намного проще осуществить столкновения высокоэнергичных фотонов с рентгеновскими фотонами, генерируемых электронным пучком в ондуляторах (или рентгеновским лазером на свободных электронах). Схем много, было бы желание.

Хотя фотонный коллайдер на базе hohlraum вряд ли имеет перспективы для изучения частиц, но само замечание, что фотоны с энергией 1 ГэВ внутри hohlraum могут рождать e+e- пары на тепловых фотонах с заметной вероятностью, представляет самостоятельный интерес. Много лет назад, в 1986 году, я также обратил внимание на аналогичный эффект, на то, что электроны в кольцевых ускорителях сталкиваются с тепловыми фотонами (T=300 K), причем этот эффект будет ограничивать время жизни пучков в коллайдере LEP (CERN) на уровне 20 часов (хотя время жизни по остаточному газу ожидалось порядка 200 часов). Так оно и оказалось. Разработчики LEP были очень рады, что комбинация фундаментальных констант оказалась достаточно благоприятной для LEP, могло быть и хуже.


В статье использованы материалы: Постнаука




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Платиновые наношарики
Платиновые наношарики

Обложка февральского выпуска Journal of Applied Physics
Редакция научного журнала Journal of Applied Physics выбрала в качестве иллюстрации обложки февральского выпуска изображение доменной структуры гексагонального (h-)ErMnO3, полученного группой пользователей NT-MDT с факультета материаловедения и инженерии Норвежского университета науки и технологии (NTNU)

Наносистемы: физика, химия, математика (2021, Т. 12, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume12/12-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Механизмы механо-бактерицидного действия наноструктурных поверхностей. Кубан и кубаноиды. Оптический гетеродин для измерения времени сверхкоротких импульсов. Трещать по швам правильно: однонаправленный разрыв метаматериала.

Спинтроника и iPod
В.В.Уточникова
В 1988 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг независимо друг от друга обнаружили, что электросопротивление композитов, составленных из чередующихся слоев магнитного и немагнитного металла может невероятно сильно меняться при приложении магнитного поля. В течение десятилетия это, казалось бы, эзотерическое наблюдение революционным образом изменило электронную промышленность, позволяя накапливать на жестких дисках все возрастающий объем информации.

ДНК правит компьютером
Бидыло Тимофей Иванович
Наиболее вероятно, что главным революционным отличием процессоров будущего станут объемная (3D) архитектура и наноразмер составляющих, что позволит головокружительно увеличить количество элементов. Сегодня кремниевые технологии приближаются к своему технологическому пределу, и ученые ищут адекватную замену кремниевой логике. Клеточные автоматы, спиновые транзисторы, элементы логики на молекулах, транзисторы на нанотрубках, ДНК-вычисления…

Будущее техники отразилось в идеальном нанозеркале
Кушнир Сергей Евгеньевич
Свыше 99,9% падающего излучения отражает новое зеркало, построенное физиками США. А ведь толщина его составляет всего-то 0,23 микрометра. Специалисты говорят, что новинка способна улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.