Используя передовое вычислительное моделирование, исследовательская группа, возглавляемая Оксфордским университетом, работающая в партнерстве с Высшим техническим институтом Лиссабонского университета, впервые в истории выполнила трехмерное моделирование в режиме реального времени того, как интенсивные лазерные лучи изменяют "квантовый вакуум" - состояние, которое когда-то считалось быть пустым, но который, как предсказывает квантовая физика, полон виртуальных электрон-позитронных пар.

Интересно, что эти симуляции воссоздают странное явление, предсказанное квантовой физикой, известное как вакуумное четырехволновое смешение. Это утверждает, что объединенное электромагнитное поле трех сфокусированных лазерных импульсов может поляризовать виртуальные электрон-позитронные пары вакуума, заставляя фотоны отскакивать друг от друга, как бильярдные шары, генерируя четвертый лазерный луч в процессе "света из тьмы". Эти события могли бы послужить исследованием новой физики при чрезвычайно высокой интенсивности.

"Это не просто академическое любопытство - это важный шаг к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими", - сказал соавтор исследования профессор Питер Норрис с физического факультета Оксфордского университета.

Работа была выполнена как раз вовремя, когда новое поколение сверхмощных лазеров начало поступать в эксплуатацию. Такие установки, как британская Vulcan 20-20, европейский проект "Инфраструктура экстремального освещения" (ELI) и китайские станции экстремального освещения (SEL) и SHINE, настроены на обеспечение достаточно высоких уровней мощности, чтобы потенциально впервые подтвердить рассеяние фотонов в лаборатории. Рассеяние фотонов на фотонах уже было выбрано в качестве одного из трех флагманских экспериментов на двухлучевой лазерной установке OPAL мощностью 25 PW Университета Рочестера в Соединенных Штатах.

Моделирование проводилось с использованием усовершенствованной версии OSIRIS, пакета программного обеспечения для моделирования, который моделирует взаимодействие между лазерными лучами и веществом или плазмой.

Ведущий автор Зиксин (Лили) Чжан, докторантка физического факультета Оксфорда, сказала: "Наша компьютерная программа дает нам трехмерное окно с временным разрешением в квантово-вакуумные взаимодействия, которые ранее были недоступны. Применив нашу модель к эксперименту по рассеянию трех лучей, мы смогли зафиксировать весь спектр квантовых сигнатур, а также получить детальное представление о области взаимодействия и ключевых временных масштабах. Тщательно протестировав моделирование, мы теперь можем обратить наше внимание на более сложные и исследовательские сценарии, включая экзотические структуры лазерного луча и импульсы с летящей фокусировкой".

Важно отметить, что эти модели предоставляют детали, от которых зависят экспериментаторы при разработке точных тестов в реальных условиях, включая реалистичные формы лазера и время импульсов. Моделирование также раскрывает новые идеи, в том числе о том, как эти взаимодействия развиваются в реальном времени и как незначительные асимметрии в геометрии луча могут повлиять на результат.

По словам команды, инструмент не только поможет в планировании будущих экспериментов с лазерами высокой энергии, но также может помочь в поиске признаков гипотетических частиц, таких как аксионы и частицы с миллизарядом - потенциальных кандидатов в темную материю.

Соавтор исследования профессор Луис Сильва (из Высшего технического института Лиссабонского университета и приглашенный профессор физики Оксфордского университета) добавил: "Широкому спектру запланированных экспериментов на самых современных лазерных установках значительно поможет наш новый вычислительный метод, реализованный в OSIRIS. Сочетание сверхинтенсивных лазеров, самых современных средств обнаружения, ультрасовременного аналитического и численного моделирования является основой для новой эры во взаимодействиях лазера с веществом, которая откроет новые горизонты для фундаментальной физики".