В конце прошлого года мы писали об интересном направлении, активно развивающемся в последние годы, - “настольной” физике высоких энергий : в результате воздействия сверхмощных лазерных импульсов на твердотельные мишени оказывается возможным получать достаточно узконаправленные пучки релятивистских частиц. К настоящему времени уже получены пучки ионов с энергиями до 100 МэВ, но еще более интересно попытаться заглянуть в будущее и понять, каковы перспективы развития этого направления.

C помощью мощных фемтосекундных лазеров, излучение которых фокусируется в пятно с микронными размерами, в настоящее время можно достичь плотности мощности излучения более 10²⁰ Вт/см². Под действием излучения происходит мгновенное испарение части мишени и формируется релятивистская электронная плазма, температура которой составляет сотни тысяч и миллионы эВ. Образующиеся при этом поля в состоянии ускорять протоны и ионы до энергий в несколько десятков МэВ (подробности см. в упомянутой новости “настольная” физика высоких энергий ). Основные задачи, стоящие сейчас перед учеными, это повышение достижимой плотности мощности лазерного излучения, детальное изучение механизмов ускорения частиц и оптимизация конструкции мишени для различных задач. Двум последним проблемам посвящена работа немецких, французских и американских ученых [1].

Рис.1. Энергетический спектр ионов F7+ в двух случаях: без нагрева подложки (черный) и с нагревом подложки (красный).

Помимо восстановления картины пространственно-временной эволюции ускоряющего поля (регистрировалось абсолютное число и энергию ускоренных частиц), исследователям удалось повысить максимальную энергию легких ионов (углерода и фтора) в пучке до 100 МэВ. Это было достигнуто путем нагрева тонкой металлической фольги (мишени) до высоких температур, что позволило удалить с поверхности углеводороды и воду. В результате отсутствия водорода в мишени вместо протонного пучка, который получается “естественым путем”, удалось получить мощный высокоэнергетичный (с энегриями до 100 МэВ - см. рис.1) пучок ионов углерода или фтора (тонкий слой углерода или CaF₂ был нанесен на заднюю поверхность фольги). Отметим, что плотность мощности лазерного возбуждения в этих экспериментах была порядка 5 x 10¹⁹ Вт/см² (длительность лазерного импульса - 30 фс, энергия в импульсе - 30 Дж), а напряженность ускоряющего поля - порядка 10¹² В/м.

Все это хорошо, но, наверно, гораздо более интересен вопрос, до каких плотностей мощности позволяет дойти современная лазерная техника и что это может дать? На этот вопрос пытаются ответить ученые из Ливерморской национальной лаборатории и Мичиганского университета - в своей работе [2] они рассматривают возможности получения предельных плотностей мощности при облучении твердотельной мишени лазерным излучением, достижимые в ближайшее десятилетие, а также рассматривают возможности, которые будут предоставит физикам, работающим в различных областях, достижение таких предельных плотностей мощности.

Предел интенсивности лазерного излучения задается как свойствами активной среды лазера, так и пороговой мощностью излучения, которую существующие оптические элементов в состоянии “пережить” без повреждения. Расчеты показывают, что максимально достижимая на сегодняшний день плотность мощности в собственно “настольных” лазерных установках составляет порядка 10²³ Вт/см² (и можно не сомневаться, что в ближайшие годы этот предел будет достигнут). Дальнейшее увеличение мощности лазеров возможно, если идти по экстенсивному пути - увеличивать размеры установки и, соответственно, диаметр лазерного луча, который будет фокусироваться в пятно микронных размеров. По оценкам авторов, для достижения плотности мощности 10²⁸ Вт/см² необходимо создание лазера c диаметром луча ... 10 м. Активный элемент такого “композитного” лазера будет представлять собой матрицу из 2500 титан-сапфировых (например) элементов площадью 20 x 20 см², для фокусировки излучения также будет использоваться матрица из сотни зеркал с метровыми размерами. О том, что такие планы являются вполне реалистичными, свидетельствуют проектируемые в США и во Франции лазерные установки (National Ignition Facility и Laser Megajoule) с энергией в отдельном импульсе порядка 1 МДж. Даже если столь мощные установки по каким-либо причинам не будут созданы в ближайшее десятилетие, то вероятность создания гораздо более компактных лазеров (всего 25 кристаллов указанного выше размера и зеркало метрового диаметра, соответственно), позволяющих получить плотность мощности порядка 10²⁶ Вт/см², очень велика. Вышеупомянутые гигантские лазеры, конечно, сложно будет отнести к категории “настольных”, тем не менее утрата этого качества должна быть с лихвой компенсируется уникальными экспериментальными возможностями, которые могут обеспечить такие установки: физика плазмы, ядерная физика, физика элементарных частиц, астрофизика, космология - вот далеко не полный перечень областей науки, в которых возможно получение интересных результатов.

Рис.2. Временная эволюция достижимой с помощью лазеров плотности мощности лазеров (слева), и (справа) характерные энергии электронов, которые могут быть достигнуты при таких мощностях.

До каких же энергий могут быть ускорены частицы при действии столь интенсивного лазерного излучения на твердотельную мишень? На рис.2 приведена схема, на которой показана временная эволюция достижимой с помощью лазеров плотности мощности лазеров (слева), и (справа) характерные энергии электронов, которые могут быть достигнуты при таких мощностях. При плотности мощности 10²⁸ Вт/см² возникают электрические поля с напряженностью более 10¹⁷ В/м; энергии электронов в таких условиях могут достигать 10¹⁶ эВ (протонов - 10¹³ эВ). И без того фантастические цифры будут выглядеть еще более впечатляющее, если рассмотреть возможность работы со встречными пучками (допустим, что мишень облучается с двух сторон или есть две мишени), - это будет эквивалентно (для электронов) случаю бомбардировки неподвижной мишени частицами с энергией до 10²³ эВ. Такая энергия превышает максимальную зарегистрированную энергию частиц в космических лучах (порядка 10²⁰ эВ) - наибольшую известную нам в настоящий момент энергию частиц во Вселенной! Естественно, возможно ускорение не только электронов и протонов, но и ионов, в том числе и тяжелых ядер (до энергий в сотни ГэВ); “лазерные коллайдеры” тяжелых ионов могут быть использованы, в частности, для получения кварк-глюонной плазмы.

Возможности, которые открывает для различных областей физики создание сверхмощных лазерных установок, даже сложно перечислить, вкратце упомянем ниже только о трех возможных “прорывных” направлениях.

1. Если действительно в обозримом будущем окажется возможным создание установок, позволяющих оперировать с энергиями подобного масштаба, это может позволить разрешить одну из наиболее интригующих загадок астрофизики - загадку космических лучей сверхвысоких энергий (см. об этой проблеме в нашей новости драма космических лучей сверхвысоких энергий ).

2. В столь мощных ускоряющих полях можно ожидать экспериментального наблюдения эффект Унруха. Этот эффект является в известном смысле близнецом эффекта Хокинга (квантового испарения черных дыр); он представляет собой излучение движущегося с ускорением в вакууме тела, спектр которого соответствует спектру излучения черного тела с “температурой”, пропорциональной ускорению частицы (в системе отсчета, в которой частица покоится, это будет выглядеть как “тепловое” излучение вакуума). При достижимых - в предположении реализации описанных сверхмощных лазерных установок - колоссальных ускорениях электронов “унруховская температура” может достигать миллиарда кельвинов. Экспериментальное наблюдение эффекта Унруха было бы, конечно, “нобелевским” результатом, но даже при рассматриваемых условиях (плотность мощности лазерного излучения до 10²⁸ Вт/см²) возникнут немалые сложности - трудно будет выделить унруховское излучение на фоне существенно более мощных электродинамических эффектов (авторы работы [2] полагают, что это все же возможно).

3. Чуть выше говорилось о напряженности электрического поля более 10¹⁷ В/м - такие поля могут быть достаточны для наблюдения неустойчивости вакуума в сильных полях (про это см. нашу новость ).

Нарисовав столь заманчивые перспективы, нужно, конечно, оговориться, что приведенные выше цифры являются оценками, а не результатами детальных расчетов, и нет гарантии, что все предполагаемые планы удастся реализовать. Но нельзя упускать из виду и возможность того, что при экстремально высоких энергиях вскроется нечто, что находится за пределами современных теоретических представлений: “есть много, друг Горацио, на свете, что и не снилось нашим мудрецам”...

1. M.Hegelich, S.Karsch, G.Pretzler et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 085002 (2002).

2. T.Tajima, G.Mourou. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.5, 031301 (2002).

Е.Онищенко.