Фотонный коллайдер

Валерий Тельнов

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^-. Мы попросили прокомментировать данное предложение эксперта в области фотон-фотонных взаимодействий, доктора физико-математических наук Валерия Тельнова.

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.

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 dn_γ≈0.04 dω/ω. Эти фотоны не совсем реальные, большая их часть имеет массы порядка m*c²~ω/γ, где где релятивистский параметр γ=E_e/m_ec². 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 году фотон-фотонный коллайдерс 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.

Валерий Тельнов,

доктор физико-математических наук,

главный научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН,

профессор Новосибирского государственного университета

Источник ПостНаука

Tags: БАК, бозон Хиггса, коллайдер, скорость света, фотон, фотон-фотонное взаимодействие, электрон