Ученые ИТМО разработали теоретическую модель для визуализации динамических сверхбыстрых процессов в излучении света частицами — и предсказали новые квантовые явления. Все существующие методы позволяют описывать эти явления лишь в статике, что значительно ограничивает возможности исследователей и упрощает наши представления о мире. Разработанная модель поможет узнать больше о природе атома, повысить эффективность экспериментов в ускорителях и создать более точные устройства для космической отрасли и биомедицины. Результаты работы были опубликованы в Communications Physics.

Источник: hqrloveq / Фотобанк Фотодженика

Одна из главных проблем современной физики — преодоление ограничений принципа квантовой неопределенности. Принцип гласит, что частицы, у которых есть импульс и энергия, делокализованы в пространстве — разбросаны по всей вселенной и существуют вечно. У частиц же в конкретной точке пространства и времени невозможно определить величину импульса и энергии. Поэтому для изучения процессов с частицами, таких как излучение, рассеяние или распад, физики «наделяют» их определенными энергиями и импульсом. Однако в рамках такого подхода нельзя рассматривать эти явления в динамике и проводить эксперименты, когда регистрирующая аппаратура находится близко к области наблюдаемого процесса.

Ученые ИТМО предложили метод, который позволяет преодолеть эти ограничения. Они разработали модель для описания процессов с частицами на базе концепции формализма фазового пространства в квантовой теории поля. При таком подходе предполагается, что частица обладает определенными средними импульсом и энергией и находится в определенной точке пространства и времени в среднем. Так удается анализировать излученную заряженной частицей энергию в реальных пространстве и времени, предсказывать и визуализировать посредством математических моделей более точную картину развития этого процесса.

В основе разработанной модели — многоступенчатые математические расчеты, в том числе работа с квантовой функцией Вигнера. Эффективность метода ученые продемонстрировали на примере анализа излучения Вавилова-Черенкова — свечения заряженной частицы в прозрачной среде, когда она развивает скорость выше скорости света. Физики также предсказали несколько новых квантовых явлений. Исследователи определили конечное время и расстояние формирования фотона излучения Вавилова-Черенкова, конечное время длительности вспышки излучения и квантовый сдвиг времени прихода фотона в детектор, отличный от предсказанного классической теорией. При этом ученые отметили, что фотон может прийти в детектор как позже предсказанного классической — неквантовой — теорией времени, так и раньше.

«Предсказанные нами временные эффекты лежат в области аттосекунд — одна миллиардная доля от одной миллиардной секунды — и это характерные интервалы для процессов атомной физики. Если проводить аналогию, секунда грубо настолько же больше аттосекунды, насколько возраст нашей Вселенной больше секунды. Подобные процессы лишь недавно стали доступны для изучения с появлением продвинутых методов лазерной физики. Излучение Вавилова-Черенкова привлекло внимание ученых еще в 1930 годы, но квантовая динамика формирования процесса в реальных пространстве и времени так и ни теоретически, ни экспериментально не была изучена. Хотя на протяжении почти 90 лет это явление активно применяют в разных сферах: от физики космических лучей, физики ускорителей и детекторов до биомедицинской диагностики. Наша модель впервые позволила провести такой анализ», — отмечает один из авторов исследования, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Карловец.

Разработанная модель позволит узнать больше о природе взаимодействия атомов и частиц, таких как электроны, нейтроны и протоны, и о динамике происходящих с ними процессов в веществе. В перспективе это поможет в развитии приложений излучения Вавилова-Черенкова, включая разработку новых материалов и более точных и мощных электронных устройств, биомедицинского оборудования и космических технологий. Кроме того, благодаря этому подходу можно повысить эффективность экспериментов в физике высоких энергий, сделать их более стабильными и точными, заранее предсказав поведение частицы в ускорителе.

Пока ученые применили модель для описания частного случая — излучения Вавилова-Черенкова. Однако разработанный ими метод универсален и может быть использован для визуализации любых динамических процессов с частицами. В планах физиков — продемонстрировать это и изучить с помощью нового подхода другие квантовые явления.

Исследование проводили при грантовой поддержке РНФ — проект № 23-62-10026.

Ксения Десяткова

Журналист