Ученые из Оксфордского университета создали первую трехмерную симуляцию в реальном времени, демонстрирующую необычный квантовый эффект: когда три высокоэнергетических лазерных луча пересекаются в вакууме, создается дополнительный луч, как будто выходящий из полной темноты.
Это явление, называемое вакуумным четырехволновым смешением, было предсказано теоретически ранее, но теперь впервые смоделировано в трех измерениях с учетом условий вакуума. Если моделирование подтвердится экспериментально, это поможет в поиске гипотетических частиц, таких как аксионы и миллизаряженные частицы, которые также считаются кандидатами на темную материю.
«Это больше, чем просто академическое любопытство; это важный шаг на пути к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор оставались в основном теоретическими», — объясняет профессор Питер Норрис, соавтор исследования.
Как темнота порождает свет?
Согласно классическим представлениям, вакуум — это пустое пространство. Однако квантовая физика утверждает, что вакуум заполнен виртуальными парами электронов и позитронов. В 2022 году ученые продемонстрировали аналогичный эффект, создав аналоги частиц и античастиц «из воздуха».
Одна из теорий заключается в том, что при определенных условиях пары электрон-позитрон могут поляризоваться, вызывая столкновения фотонов.
Обратите внимание: Астрономы обнаружили необычный пульсар.
Как отмечают исследователи из Оксфорда, именно эти каскады рассеяния фотонов на фотонах позволяют свету появляться «из тьмы».Для моделирования этого процесса команда в сотрудничестве с Институтом Плато Лиссабонского университета разработала три «виртуальных» высокоэнергетических лазерных луча. Согласно теории, объединенные электромагнитные поля трех интенсивных лазерных импульсов, сфокусированных в одной точке, должны вызывать каскад рассеяния фотонов, создавая свет в вакууме.
Ученые провели ряд расчетов с использованием усовершенствованной версии программного пакета OSIRIS, разработанного для моделирования сложного взаимодействия лазеров с веществом и плазмой, и сравнили результаты с теоретическими предсказаниями. Результаты показали, что моделирование полностью согласуется с теорией, доказав «таинственный феномен света, возникающего из тьмы».
Зиксин (Лили) Чжан, аспирант Оксфордского университета и ведущий автор исследования, отметила: «Наша модель позволяет нам подробно изучать квантовые эффекты, включая временные и пространственные характеристики взаимодействий, что ранее было недоступно.
Новые лазеры помогут подтвердить эффект экспериментально
Пока команда работает над более сложными симуляциями, их результаты могут быть экспериментально проверены в ближайшие несколько лет. Новые сверхмощные лазерные установки запускаются по всему миру, такие как проект European Extreme Light Infrastructure (ELI), Vulcan 20-20 в Великобритании, Station for Extreme Light (SEL) и SHINE в Китае и OPAL в США.
По словам профессора Луиса Силвы из Лиссабонского университета, соавтора исследования, эти устройства смогут проверять прогнозы ученых, а новые вычислительные методы помогут в планировании экспериментов.
Силва подытожил: «Сочетание сверхмощных лазеров, современных детекторов и усовершенствованных моделей открывает новую эру в изучении взаимодействия лазера с веществом и улучшит наше понимание фундаментальной физики.
Это не только углубляет наше понимание квантовых эффектов, но и прокладывает путь к новым открытиям в физике высоких энергий.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.