Електромагнітні каскади.
Частинки, що володіють високою енергією, при попаданні в інтенсивне електромагнітне поле починають брати участь в квантових реакціях. Найчастіше це реакції, що протікають в рамках квантової електродинаміки. Наприклад, електрон при русі в інтенсивному електричному полі може випустити фотон високої енергії - квант гамма-випромінювання. Фотон ж може розпастися, народивши при цьому електрон-позитронну пару.
Ці найпростіші процеси лежать в основі такого явища як квантово-електродинамічний (або електромагнітний) каскад. Уявімо собі електрон, що володіє високою енергією (що означає, що рухається він зі швидкістю, близькою до швидкості світла), влітає в область інтенсивного електромагнітного поля. Рухаючись в поле, він починає випромінювати фотони, які, в свою чергу, розпадаються на електрон-позитронного пари. Народжені електрони і позитрони знову здатні випромінювати фотони, що призводить до народження все нових і нових поколінь частинок (Рис. 1). Таким чином, ми отримуємо лавиноподібне зростання числа електронів, позитронів і фотонів. Це явище і називається електромагнітним каскадом.
Рис.1 Схематичне зображення каскаду, що розвивається з затравочного електрона.
Каскади можуть розвиватися, наприклад, в атмосферах планет при попаданні туди космічних частинок високих енергій (так звані атмосферні зливи, Рис. 2). Їх наслідки у вигляді потоку електронів, позитронів і випромінювання час від часу фіксуються і на поверхні Землі. При цьому джерелами сильного поля служать ядра атомів, складових атмосферу: коли частинки пролітають повз них і відбуваються квантові реакції. Інший приклад - каскади в магнітосфері планет і зірок, де наявність магнітного поля поблизу поверхні космічних тіл уможливлює розвиток каскаду. Поблизу поверхонь пульсарів, через їх швидкого обертання, істотним є і електричне поле, також стимулює розвиток каскадів. Вважається, що це - основний механізм виникнення електрон-позитронної плазми на поверхнях пульсарів. Нарешті, не так давно, в зв'язку з активним розвитком лазерних технологій і проектуванням систем, що дозволяють генерувати випромінювання з потужністю, що перевищує 10 24 Вт / см 2. була сформульована ідея можливості спостереження каскаду в лазерному полі.
Відзначимо, що в перших двох прикладах (каскади в атмосферах і магнітосфери планет) на кожному кроці енергія материнської частки ділиться між дочірніми частинками, які вже ніяк не можуть її поповнити. Таким чином, в ході розвитку каскаду енергія затравочной частки постійно дробиться, ділячись між усіма частинками каскаду. Тому в певний момент, коли частинок стає досить багато, їх енергії виявляються занадто малими: електрони вже не можуть випромінювати фотони з високою енергією, а енергії фотона не вистачає на народження електрон-позитронної пари. Це призводить до припинення каскаду.
Мал. 4. Ілюстрація до схеми
ініціації каскаду в лазерному полі.
Мал. 5. Результат чисельного моделювання траєкторій заряджених частинок в лазерному полі.
Інша зазначене розходження циркулярної і лінійної поляризації полягає в наступному. Каскад в циркулярно поляризованої стоячій хвилі досить швидко виходить на стаціонарний режим. При цьому інкремент зростання числа частинок виявляється незалежним від часу, крім того, з часом не змінюється форма спектрів частинок і просторовий розподіл густини плазми. Інша ситуація реалізується при розвитку каскаду в лінійно поляризованої хвилі. Тут інкремент зростання числа частинок виявляється періодичною функцією часу. Спектри також періодично змінюються з часом: плазма то нагрівається, то охолоджується. Також спостерігається періодична зміна просторового розподілу щільності плазми. В деякі моменти часу існує два яскраво виражених максимуму щільності плазми на кожному періоді лазерного поля. Потім кожен з них розщеплюється, і на періоді поля утворюється чотири максимуму. Через деякий час вони знову сходяться, і процес повторюється. Подібна поведінка пояснюється тим, що в лінійно поляризованої хвилі переважає то електричне, то магнітне поле, в яких динаміка каскаду має суттєво різний характер.