18.09.2019
22:12

Позитроны укажут на распад вакуума при столкновении тяжелых ионов

Физики из России, Китая и Германии предложили «индикатор», который указывает на распад нейтрального вакуума при столкновениях тяжелых ионов. Для этого ученые численно рассчитали, как вероятность рождения электрон-позитронных пар зависит от скорости ядер, и показали, что при распаде вакуума в этой зависимости возникает минимум. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт выложен на сайте arXiv.org.

Релятивистская квантовая механика описывает атомы с помощью уравнения Дирака, которое обобщает уравнение Шредингера на случай больших скоростей частиц. Если попытаться решить это уравнение для водородоподобного иона — ядра, к которому присоединен единственный электрон, — то окажется, что решение существует только для ядер с зарядом Z После этого ядро может воспользоваться тем, что спектр уравнения Дирака не ограничен снизу, то есть в нем существуют уровни с отрицательной энергией электронов. Обычно эти уровни заполнены и образуют так называемое море Дирака. Если энергия «связанного состояния» попадет в резонанс с отрицательной энергией электронных уровней, то ион сможет захватить два «морских» электрона, попутно испуская два позитрона. Такой процесс можно интерпретировать как распад старого нейтрального вакуума и образование нового вакуумного состояния с ненулевым электрическим зарядом (подчеркнем, что такой распад вакуума не имеет ничего общего с распадом ложного вакуума). Впервые такой «распад нейтрального вакуума» в 1969 году теоретически обнаружили Семен Герштейн и Яков Зельдович.

К сожалению, на практике распад нейтрального вакуума увидеть до сих пор не удалось. С одной стороны, критический заряд ядра почти в полтора раза превышает максимальный заряд ядер, полученных на практике (на данный момент рекордный заряд составляет Z=118 для ядра Оганессона). С другой стороны, сталкивая ядра элементов с зарядом Z Тем не менее, группа ученых под руководством Владимира Шабаева придумала способ, с помощью которого можно очистить позитроны, сопровождающие распад вакуума, от фоновых загрязнений. Для этого физики заметили, что вероятность рождения электрон-позитронных пар хитрым образом зависит от скорости ионов перед столкновением. Другими словами, исследователи рассмотрели столкновение двух ионов с заданными зарядами, численно рассчитали вероятность образования электрон-позитронных пар и нашли параметр распределения, который принимает разные значения в случаях, когда суммарный заряд ионов меньше или больше критического заряда.

Поскольку рассчитать вероятность рождения электрон-позитронных пар на фоне движущихся ионов очень сложно даже численно, ученые сделали несколько приближений. Во-первых, ученые рассматривали столкновение ионов как классическое рассеяние Резерфорда, в ходе которого ионы приближаются друг к другу на заранее известное минимальное расстояние, отталкиваются и снова разлетаются на бесконечность. При этом энергия столкновений ограничена снизу энергией «лобового» столкновения, что, в свою очередь, накладывает ограничения на скорость ионов. Во-вторых, физики работали в монопольном приближении, то есть заменили два иона на единственный сферически симметричный монополь. Это позволило им рассматривать одну волновую функцию электрона вместо двух. Наконец, сначала исследователи рассмотрели более простой случай одинаковых ионов, а потом обобщили результат на случай произвольных зарядов.

В результате ученые выяснили, как вероятность рождения электрон-позитронных пар зависит от относительной скорости ионов. Оказалось, что в докритической области (Z По словам ученых, появление минимума в зависимости указывает на образование связанного состояния при Z>184, которое сопровождает распад вакуума. При 173 Производная вероятности рождения электрон-позитронных пар по энергии столкновения в зависимости от среднего заряда сталкивающихся ионов. Красная линия отмечает момент распада вакуума

Процесс, рассмотренный группой Шабаева, отдаленно напоминает распад ложного вакуума, который теоретически обнаружил в 1977 году Сидни Коулмен. В этом процессе речь идет о вакууме скалярного поля Хиггса, равномерно заполняющего нашу Вселенную

По информации https://nplus1.ru/news/2019/09/17/ion-vacuum-decay

Обозрение "Terra & Comp".