Относящаяся к классу «мегасайнс» установка XCELS (Центр исследований экстремальных световых полей) будет обладать самой мощной в мире лазерной системой, которая позволит исследовать свойства материи и вакуума в экстремально сильных электромагнитных полях, а также создавать новые технологии. Об этом в ходе организованной ГК «Росатом» сессии «Уникальные научные установки класса «мегасайнс»-драйверы развития науки, кадрового потенциала и трансфера технологий» рассказал член-корреспондент РАН Игорь Костюков – заведующий Отделом сверхбыстрых процессов Института прикладной физики РАН. Мероприятие прошло в рамках форума «Технопром-2022» в Новосибирске.

Представляя проект, который еще в 2011 году наряду с пятью другими был отобран правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям, руководитель проектного офиса УТС ЧУ «Наука и инновации» Госкорпорации «Росатом» Андрей Аникеев назвал его «установкой будущего». «Эта установка позволит проводить фундаментальные исследования, которые нам, ученым, позволят сделать шаг в еще не изведанное, в область экстремально сильных световых полей. Какая физика там будет, пока думают только теоретики», – сказал модератор.

Напомним, что лазер с рекордной высокой пиковой мощностью предлагается создать в Национальном центре физики и математики (НЦФМ) в Сарове. Российский проект, «отцами-основателями» которого являются президент РАН Александр Сергеев (в те годы – зам.директора ИПФ РАН) и иностранный член РАН, нобелевский лауреат Жерар Муру (премия 2018 г. по физике за цикл работ, связанных по тематике с XCELS), будет использовать технологические достижения этой и ряда ведущих российских научных организаций. «Среди них можно выделить мощные килоджоульные наносекундные лазеры, которые создаются в Российском федеральном ядерном центре в Сарове и которые можно использовать в качестве накачки на установке XCELS. Также фабрика по выращиванию и обработке крупноапертурных нелинейных оптических кристаллов, которые созданы в ИПФ РАН и ряд других достижений», – рассказал Игорь Костюков.

По его словам, стремясь расширить знания о природе и открыть новые физические явления и эффекты, экспериментальная физика стремится в лабораторных условиях получить рекордные значения физических параметров. Таким параметром может быть напряженность электромагнитного поля – достигнуть экстремальных величин как раз и предполагается на установке XCELS.

 

Расчеты показывают, что напряженность лазерного поля в области фокусировки можно увеличить на порядок, если разбить один мощный лазерный импульс на несколько и сложить их таким образом, чтобы они аппроксимировали сходящуюся дипольную волну. Основа установки XCELS – лазерная система, которая будет состоять из 12 синхронизированных каналов, что позволит создать экстремально сильное электромагнитное поле в области фокусировки.

Реализация проекта XCELS позволит провести ряд важных фундаментальных исследований. В частности, изучить преобразование электромагнитной энергии в материю (квантовыо-элетродинамические каскады, которые, как предполагается, происходят вблизи полярных шапок нейтронных звезд).

«Другой интересный процесс, связанный с сильнополевой квантовой электродинамикой, это процесс поляризации вакуума. В обычном представлении вакуум – это абсолютная пустота, но с точки зрения квантовой теории поля это не совсем так. Вакуум представляет из себя так называемое “море Дирака”, заполненное виртуальными частицами и античастицами. В виртуальном состоянии мы их никак не можем напрямую зарегистрировать, и только когда они переходят в реальное состояние, тогда мы можем их детектировать. Вот как раз в сильных полях мы можем переводить частицы из виртуального состояния в реальное», – рассказал о перспективах фундаментальных исследований представитель Института прикладной физики РАН.

По словам Игоря Костюкова, установка имеет и прикладное значение – ее можно будет использовать для создания альтернативных ускорительных технологий. Ускорители электронов высоких энергий – это огромные по масштабам сооружения, при этом уже можно говорить, что они подошли к некоторому пределу по своим возможностям.

«Рост энергии частиц перестал расти экспоненциально во времени и вышел на насыщение, поэтому исследователи задумываются о других способах ускорения частиц. Хорошим кандидатом для этого являются лазерные поля, напряженность которых на много порядков больше, чем напряженность поля в ускорителях, и это, в принципе, позволяет в перспективе сделать такие ускорители компактными», - пояснил докладчик.

В результате лазерно-плазменных взаимодействий можно генерировать не только электроны, но и протоны и ионы. В частности, в ИПФ РАН такие эксперименты тоже проводились, и были сгенерированы протоны с энергией 43 МэВ.

 «Хотелось бы также нейтронные источники сделать компактными, поскольку, например, с середины прошлого века было построено огромное количество инфраструктуры из бетона, мосты, автострады и так далее. Бетон при этом не молодеет, поэтому неплохо было бы делать такой неразрушающий анализ этих сооружений, с точки зрения определения дефектов. И вот такие компактные источники на основе лазерно-плазменных технологий были бы интересны. И опять же, на установке XCELS можно было бы как раз проводить такие исследования» - рассказал о перспективах использования установки Игорь Костюков.

    Редакция сайта РАН