№40 - Відділ квантової електродинаміки сильних полів

Співробітники відділу: с.н.с. Денисенко О., н.с. Стародуб С., с.н.с. Цибульник В., н.с. Лебедь О., н.с. Левицька О., н.с. Недорешта В., зав. відділом, проф. Рощупкін С., с.н.с. Ворошило О.

Напрямки досліджень

• Для піко- і фемтосекундних лазерів (τ~10^-13c ) у сильних лазерних полях (W~10¹⁸-10¹⁹Вт/см2) розробити релятивістську теорію резонансних і нерезонансних процесів КЭД індукованих і модифікованих лазерним полем: розсіювання лептона на лептоні, спонтанне гальмове випромінювання при розсіюванні електрона на ядрі, фотонародження електрон- позитронних пар на ядрі, Комптон-ефект, народження електрон-позитронних пар фотоном, спонтанне випромінювання фотона електроном і ін.
• Для фемтосекундних лазерів (τ~10^-15c) у помірно сильних лазерних полях (W~10¹⁷Вт/см2) розробити релятивістську теорію резонансних і нерезонансних процесів КЭД індукованих і модифікованих лазерним полем: розсіювання лептона на лептоні, спонтанне гальмове випромінювання при розсіюванні електрона на ядрі, фотонародження електрон-позитронних пар на ядрі, Комптон-ефект, народження електрон-позитронних пар фотоном, спонтанне випромінювання електроном фотона й ін.
• Розробити теорію інтерференційних ефектів резонансних і нерезонансних процесів КЭД у багаточастотному імпульсному лазерному полі.
• Розробка квантової теорії ефективного потенціалу взаємодії електронів, іонів (легких і важких), а також позитронiя в сильних імпульсних лазерних полях.
• Розробка релятивістської теорії посилення електромагнітного поля в процесах КЭД у лазерному полі, зокрема в області ультрарелятивістських енергій електронів.

Відділ регулярно проводить весінні та осінні наукові сесії.

Основні досягнення

2022

В рамках співпраці ІПФ НАН України та колаборації SPARC@FAIR обчислено імовірності іонізації при альфа-розпаді воднеподібного іону полонію в полі інтенсивного лазерного імпульсу. Розрахунок проведено чисельно в рамках релятивістської теорії та без використання теорії збурень. Показано, що при іонізації К-оболонки комбінованим потенціалом альфа-частинки та лазерного імпульсу, спостерігається інтерференційний ефект, що полягає у відхилення імовірності від передбачень теорії збурень. Характер інтерференційного ефекту залежить від частоти випромінювання, а також порядку, в якому початковий іон зазнає збурень. Відхилення від передбачень теорії збурень більше, якщо опромінення лазерним імпульсом відбувається пізніше альфа-розпаду.

(Новак О.П., чл.-кор. НАН України Холодов Р.І., Дяченко М.М.)

2022

1230

У рамках співпраці з колаборацією CERN за проєктом CLIC створена теорія передпробійного струму з врахуванням морфології поверхні прискорювальної структури, яка враховує наявність субмікронних і мікронних нерівностей. Розраховане середнє поле пробою для проєктних матеріалів прискорювача. Розрахунки показали гарну узгодженість з експериментальними даними отриманими у ЦЕРНі. Змодельовано процес нагрівання вістрь нанометрових розмірів польовим емісійним струмом з урахуванням розмірних ефектів.

(Лебединський С.О., чл.-кор. НАН України Холодов Р.І., Мусієнко І.І.)

2021

Вперше в рамках квантової теорії поля досліджено процес фотонародження електрон-позитронної пари через поляризаційний каскад (народження та послiдовна анiгiляцiя пари в один фотон) в сильному магнітному полі. Цей процес є радіаційною поправкою до основного процесу народження пари фотоном. Отримано вирази загальної амплітуди та ймовірність процесу в резонансному випадку для надкритичного магнітного поля. Резонанс має місце на порозі реакції, коли енергія фотона дорівнює 2mc2. Показано, що залежність ймовiрності процесу вiд поляризацiї початкового фотона співпадає з процесом фотонародження пари. Знайдено, що відношення радіаційної поправки до основного процесу обернено пропорційне квадрату поля і для H=1014 Гс досягає одиниці.
М. Дяченко, О. Новак, Р. Холодов, А. Фоміна (Інститут теоретичної фізики iм. М.М. Боголюбова НАН України).

2020

Вперше в рамках квантової теорії поля досліджено процес фотонародження електрон-позитронної пари через поляризаційний каскад (народження та послiдовна анiгiляцiя пари в один фотон) в сильному магнітному полі. Цей процес є радіаційною поправкою до основного процесу народження пари фотоном. Отримано вирази загальної амплітуди та ймовірність процесу в резонансному випадку для надкритичного магнітного поля. Резонанс має місце на порозі реакції, коли енергія фотона дорівнює 2mc2. Показано, що залежність ймовiрності процесу вiд поляризацiї початкового фотона співпадає з процесом фотонародження пари. Знайдено, що відношення радіаційної поправки до основного процесу обернено пропорційне квадрату поля і для H=1014 Гс досягає одиниці.

(М. Дяченко, О. Новак, Р. Холодов, А. Фоміна – ІТФ iм. М.М. Боголюбова НАН України)

2019

Релятивістське узагальнення теорії польової емісії Дослідження явища польової електронної емісії, як самостійного напряму експериментальних та теоретичних досліджень, бере свій початок з 20-х років минулого століття, що пов’язано зі зростанням експериментальних можливостей отримання високих струмів та необхідністю створення теорії «холодної» емісії. Польова емісія має велике застосування і в даний час: польова електронна мікроскопія, польова електронна спектроскопія, польові джерела електронів та електронні гармати, холодні катоди, вакуумна наноелектроніка. Тому, виявлення нових властивостей польової емісії електронів є, безумовно, актуальним завданням теоретичної фізики, незважаючи на глибоке дослідження цього питання. Зі зростанням експериментальних потужностей, з’явилась змога використовувати екстремально високі значення напруженостей електричного поля, внаслідок чого рух електрона може ставати релятивістським, але наявні теоретичні дослідження не враховують вплив релятивістських факторів на процес польової емісії електронів. Також польова емісія електронів у присутності надзвичайно сильного електричного поля відбувається і з полярної області замагнічених нейтронних зірок. Разом з цим, польова емісія може бути негативним чинником у процесі прискорення, викликаючи вакуумний пробій всередині прискорювальної структури. Експерименти на макетних установках прискорювальних структур компактного лінійного електрон-позитронного прискорювача в проекті CLIC (Compact LInear Collider) показали, що при введенні потужності високочастотного електромагнітного поля, яка забезпечує напруженість електричного поля на осі прискорювальної структури величину порядку 100 МВ/м, на поверхні прискорювальної структури виникають високочастотні високовакуумні пробої. У рамках співробітництва Інституту прикладної фізики Національної академії наук України та Європейської організації з ядерних досліджень було проведено теоретичні дослідження з метою підвищення стійкості високоградієнтних прискорювальних структур до вакуумних пробоїв. Показано, що у випадку достатньо сильних електричних полів та відносно великих міжелектродних відстаней рух електрона в міжелектродному вакуумному проміжку може бути релятивістським, тому з’являється необхідність врахування релятивістської поправки до квантової теорії польової емісії. Виконано узагальнення на релятивістський випадок рівняння польової емісії електронів, яке справедливе як для лабораторних параметрів протікання польової емісії, так і для емісії з замагнічених нейтронних зірок. Знайдено ефект релятивістського стиснення потенціального бар'єру на межі метал-вакуум. Під час зменшення ширини бар'єру збільшується коефіцієнт проходження, чим можна пояснити отримане збільшення коефіцієнта проходження у випадку присутності електричного поля Отримано узагальнення теорії польової емісії на випадок присутності зовнішнього магнітного поля B, перпендикулярного електричному E, у випадку E>cB. Та надано рекомендації по запобіганню виникнення високовакуумного високоградієнтного пробою шляхом прикладення магнітного поля більшого за відсікаюче B>Bcutoff (декілька тесла).

(д. ф.-м. н., с. н. с. Холодов Р. І., Лебединський С. О.) (Kholodov R. I., Lebedynskyi S.O.)1

2018

Розглянуто процес іонізації з К оболонки при зіткненні воднеподібного іона з ядром важкого атому. Імовірність іонізації представлено у вигляді простої аналітичної формули за допомогою методу параметризації матричних елементів переходу. На відміну від попередніх досліджень, одержаний вираз дозволяє коректно описати процес в несиметричних зіткненнях іонів з істотно різними атомними номерами. Показано, що в асиметричних зіткненнях імовірність іонізації значно пригнічена, і в залежності від сумарного заряду ядер зменшується на 20-30% порівняно з випадком симетричних зіткнень.

( О.П. Новак, Р.І. Холодов, A. Surzhykov - FAIR, A.N. Artemyev — FAIR , Th. Stohlker -FAIR ).

2017

Виявлений параметричний інтерференційний ефект при народженні e+e_ пари при розсіюванні фотона на ядрі у полі двох імпульсних світлових хвиль. Показано, що диференціальний переріз в інтерференційної області перевищує переріз поза нею на два порядки величини.

(О.А. Лебедь, О.О. Левицька)

2016

Розроблена релятивістська теорія параметричного інтерференційного ефекта квантової електродинаміки в сильних імпульсних лазерних полях. Показана можливість перевеірки теорії в міжнародних мегапроектах: SLAC (National Accelerator Laboratory, Stanford, USA), PHELIX (Facility for Antiproton and Ion Research, Germany), Vulcan10 (Central Laser Facility, United Kingdom),  European X-ray Free Electron Laser (Germany), Extreme Light Infrastructure (Romania).

(Рощупкін С.П., Лебедь О.А., Ворошило О.І., Недорешта В.М., Падусенко Е.А.)

2015

У розділ "Ядерна фізика, фізика високих енергій і фізика плазми"

Побудована релятивістська теорія резонансної квантової електродинаміки в сильних лазерних і магнітних полях. Показана можливість перевірки даної теорії в міжнародних мегапроектах на лазерних установках: SLAC (National Accelerator Laboratory, Stanford, USA), PHELIX (Facility for Antiproton and Ion Research, Germany), Vulcan10 (Central Laser Facility, United Kingdom), European X-ray Free Electron Laser (Germany), Extreme Light Infrastructure (Romania). (С.П. Рощупкiн, О.А. Лебiдь, Р.І. Холодов, О.П. Новак, О.І. Ворошило)

2014

Вперше теоретично передбачене можливість значного (на декілька порядків величини) посилення інтенсивності лазерного випромінювання у процесі розсіяння ультрарелятивістських електронів на іонах у полі лазера. Цей ефект реалізується за рахунок енергії високоенергетичних електронів та значної переваги процесів вимушеного випромінювання електронами фотонів лазерного поля над процесами вимушеного поглинання. Знайдено коефіцієнт посилення електромагнітного випромінювання, який суттєво залежить від поляризації лазерної хвилі, а також від енергії електронів. Показана можливість посилення випромінювання лазера до екстремально потужних інтенсивностей. Результати теоретичних досліджень можуть бути використані у співробітництві у рамках мегапроектів FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research, Darmstadt, Germany), European XFEL project та ELI (Extreme Light Infrastructure project).

(С.П. Рощупкін, В.О. Цибульник)

2013

Вперше теоретично досліджено процес резонансного та нерезонансного розсіяння фотона на електроні в полі інтенсивної імпульсної лазерної хвилі, тривалість імпульсу якої значно більше характерного часу коливань. Знайдено вирази для повної імовірності таких процесів для помірно сильного поля I~10¹⁷-10¹⁸ В∙см^-2 та проведено порівняння одержаних результатів з вірогідністю ефекту Комптона за відсутності зовнішнього поля. Показано, що нерезонансна ймовірність в імпульсному лазерному полі може на 200% перевищувати відповідну ймовірність без зовнішнього поля. При цьому резонансна ймовірність може на 4 порядки величини перевищувати відповідну ймовірність без зовнішнього поля. Результати теоретичних досліджень можуть бути використані у співробітництві з колаборацією SPARC в рамках мегапроекту FAIR (Німеччина).

Графік залежності відношення резонансної ймовірності в імпульсному лазерному полі до ймовірності Комптон-ефекту у відсутності зовнішнього поля від інваріантного параметру $\tilde u$, що визначається початковими параметрами частинок при різних значеннях резонансного параметру $\beta$ для інтенсивності поля в піку імпульсу I = 4.4·1017 Вт/см².

(С.П. Рощупкін, О.І. Ворошило, В.М. Недорешта)

- V.N. Nedoreshta, S.P. Roshchupkin and A.I. Voroshilo, Las. Phys. 23, 055301, (2013); - V.N. Nedoreshta, S.P. Roshchupkin and A.I. Voroshilo, Eur. Phys. J. D 67:56, (2013); - A.I. Voroshilo, V.N. Nedoreshta, and S.P. Roshchupkin, Phys. Rev. A, 88, 052109 (2013).

2012

Теоретично вивчені процеси квантової електродинаміки першого й другого порядків за постійною тонкої структури у полі двох інтенсивних імпульсних лазерних хвиль. Показано, що процеси розсіювання лептонів і випромінювання фотонів у таких полях можуть відбуватися у двох суттєво різних кінематичних областях: неінтерференційній й інтерференційній. Причому, в інтерференційній області істотні процеси корельованого випромінювання й поглинання фотонів обох хвиль і процес розсіювання відбувається в одній площині на задані кути. Ймовірність таких процесів значно перевершує відповідну ймовірність у будь-якій іншій геометрії. Результати теоретичних досліджень будуть використані у співробітництві з колаборацією SPARC в рамках мегапроекту FAIR (Німеччина).

(С.П. Рощупкін, О.А. Лебедь, О.О. Падусенко, О.І. Ворошило)