Физики СПбГУ нашли, как можно наблюдать распад вакуума в сверхкритическом кулоновском поле

Физики Санкт-Петербургского университета вместе с иностранными коллегами смогли показать, что при определенной постановке эксперимента по измерению числа позитронов, родившихся в процессе низкоэнергетического столкновения тяжелых ионов, можно увидеть свидетельства распада вакуума в сверхкритическом кулоновском поле.

Практически сразу после того, как к началу 1930-х годов были заложены основы квантовой теории поля, было замечено, что теория предсказывает спонтанное рождение электрон-позитронных пар постоянным однородным электрическим полем, если напряженность этого поля сравнима или больше некоторого (очень большого) критического значения. В то время как с точки зрения теории это явление изучалось в большом количестве работ, его экспериментальное обнаружение не представлялось возможным в силу практической недостижимости требуемой напряженности поля. Определенные надежды на экспериментальное обнаружение этого фундаментального эффекта связывались с развитием лазерных технологий. Но, по всей видимости, в ближайшие десятилетия достичь нужной напряженности поля с помощью лазеров вряд ли удастся.

Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Альтернативный подход к исследованию свойств вакуума в присутствии сверхкритического поля был предложен 50 лет назад в работах советских физиков: Семена Герштейна, Якова Зельдовича, Владимира Попова — и независимо в работах немецкой группы под руководством Вальтера Грайнера. В этих работах было показано, что в поле голого ядра с зарядом больше критического значения, равного 173, вакуум становится нестабильным, в результате чего могут спонтанно рождаться позитроны. А именно: при переходе от докритического к сверхкритическому режиму изначально нейтральный вакуум распадается на заряженный вакуум и два позитрона.

Так как в природе не существует ядер с таким большим зарядом (заряд самого тяжелого из открытых к настоящему времени элементов, оганесона, равен 118), единственный способ создать сверхкритическое поле — это сталкивать ядра с суммарным зарядом больше критического значения (Z1+Z2>173). Попытки экспериментального наблюдения этого эффекта, которые были предприняты около 30 лет назад в Институте тяжелых ионов в Дармштадте (Германия), не увенчались успехом.

Более того, ведущая немецкая теоретическая группа, работавшая под руководством Грайнера над этой проблемой более 20 лет, пришла к заключению, что распад вакуума можно будет экспериментально наблюдать только в случае, если сталкивающиеся ядра слипаются на какое-то время за счет ядерных сил. Необходимость такого слипания обосновывалась малостью времени существования режима сверхкритического поля в упругом столкновении, в результате чего спонтанное рождение позитронов невозможно увидеть на фоне большого динамического (индуцированного) рождения позитронов, которое имеет место быть как в докритическом, так и в сверхкритическом полях (в отличие от спонтанного). Однако на данный момент не удалось найти каких-либо свидетельств существования слипания ядер в таких столкновениях.

С самого начала работы над этой проблемой, которую мы начали более 10 лет назад, я не верил в идею слипания ядер в таких столкновениях.

Профессор кафедры квантовой механики СПбГУ Владимир Шабаев

Нашей главной идеей был расчет на то, что нам удастся найти какие-то наблюдаемые величины, которые будут однозначно свидетельствовать о качественном различии докритического и сверхкритического режимов. Но чтобы реализовать эту идею, в первую очередь надо было развить новые методы расчетов динамики электрон-позитронного поля в низкоэнергетических столкновениях тяжелых ионов, которые бы позволили нам выйти за рамки приближений, использованных группой Грайнера», — рассказал профессор кафедры квантовой механики СПбГУ Владимир Шабаев.

Исследователь отметил, что это была огромная многолетняя работа, в которой принимали участие как опытные ученые, так и молодые сотрудники кафедры, включая студентов и аспирантов. Развитые ими методы позволили оценить роль не учитывавшихся ранее эффектов и приступить к изучению более тонких деталей квантовой динамики рассматриваемых процессов.

«В результате нам удалось показать, что при определенной (вполне реальной) постановке экспериментов по измерению числа позитронов, родившихся в процессе низкоэнергетического столкновения двух голых ядер или голого ядра и нейтрального атома, можно четко выделить вклад именно спонтанного рождения позитронов, который и будет совершенно однозначно свидетельствовать о процессе распада вакуума в сверхкритическом кулоновском поле. При этом никакого слипания ядер не требуется. Эта работа уже вызвала большой интерес со стороны экспериментаторов, и у меня нет никаких сомнений, что она значительно повлияет на программы научных исследований на строящихся сейчас мегаустановках в Германии (FAIR) и Китае (HIAF). Но особые надежды я возлагаю на то, что соответствующий проект будет запущен в России. Такая возможность имеется в Дубне, о чем нам рассказал Юрий Цолакович Оганесян во время своего визита в СПбГУ в июне этого года», — объяснил Владимир Шабаев.

График показывает производную вероятности рождения позитронов по энергии сталкивающихся голых ядер с одинаковым зарядом Z=Z1=Z2 для траекторий с фиксированным минимальным сближением ядер, Rmin=16.5 ферми. Вертикальная красная линия разделяет докритический и сверхкритический режимы. Уменьшение функции dP/dη с ростом Z свидетельствует о распаде изначально нейтрального вакуума на заряженный вакуум и два позитрона.

«В заключение я бы хотел особо отметить, — продолжает Владимир Шабаев, — что, хотя список авторов данной работы включает ученых из разных стран, ведущая роль в данном исследовании несомненно принадлежит сотрудникам кафедры квантовой механики СПбГУ. Кроме меня, это молодые сотрудники кафедры Илья Мальцев и Юрий Кожедуб, а также аспиранты Роман Попов и Дмитрий Тумаков. Наконец, отмечу, что эта работа, равно как и многие другие наши работы последнего десятилетия, была бы просто невозможна без финансовой поддержки от СПбГУ через конкурсы по Мероприятиям 1 и 2».