В современной физике элементарные частицы часто представляют упрощенно – в виде бесконечных плоских волн. Этого достаточно для большинства нынешних опытов, но такая модель скрывает реальную форму частицы, ее «волновой пакет». Чтобы увидеть этот «сгусток» энергии в деталях и понять его истинную геометрию, обычных методов недостаточно – нужна принципиально новая схема эксперимента. Молодой ученый Томского государственного университета Иван Акимов смог решить эту сложную задачу: он математически рассчитал модель оптического прибора, способного фиксировать неуловимые ранее волновые эффекты. Работа была отмечена дипломом победителя престижного всероссийского конкурса исследовательских работ «Наука будущего – наука молодых».
До сих пор большинство экспериментов в физике высоких энергий рассматривают некогерентные процессы рассеяния. В этих процессах исследователей интересуют только частицы, вылетевшие из области взаимодействия под некоторым углом. При этом полностью теряется информацию о том, как изменились свойства частиц, пролетевших сквозь область взаимодействия, как будто они просто не провзаимодействовали.
Исследователь ТГУ предложил взглянуть на процесс иначе. Теоретические расчеты последних лет подталкивали к удивительному выводу: если рассеяние света на электроне происходит когерентно, то есть вы смотрите, как изменятся свойства лазерного луча, то волновой пакет электрона начинает вести себя как необычная оптическая среда. Свет, проходящий через такой «сгусток», чувствует его не просто как точечное препятствие, а как специфическую жидкость с особыми оптическими свойствами.
В этом взаимодействии участвуют плазмон-поляритоны – гибридные квазичастицы, возникающие из «сцепления» квантов света (фотонов) и коллективных колебаний электронного пакета. Чтобы зарегистрировать этот эффект в реальном эксперименте, научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ Иван Акимов теоретически обосновал и рассчитал принципиально новую схему на основе классического прибора физиков – интерферометра Маха – Цендера.
– Принцип работы интерферометра можно представить так: лазерный луч расщепляется светоделителем на две равные части («плечи» интерферометра), – объясняет Иван Акимов. – Один луч идет по «пустому» маршруту, а второй проходит через область, где летит волновой пакет электрона. Затем оба луча снова соединяются на экране-детекторе.
Если бы электрон был просто точкой, свет прошел бы почти без изменений. Но из-за того, что электрон представим в виде волнового пакета с некоторой дисперсией, световая волна во втором плече немного «замедляется» и меняет свои свойства. Когда два луча воссоединяются, на экране возникает уникальный интерференционный узор – сменяющие друг друга светлые и темные полосы. По их рисунку и смещению можно «считать» точный профиль и форму волнового пакета электрона, не разрушая его.
В ходе работы Иван Акимов решил уравнения Максвелла для граничных условий интерферометра и посчитал вклад в интерференционную картину, которая получается при взаимедействии лазерного луча и волнового пакета электрона. Он вывел точные формулы распределения энергии света на детекторе в зависимости от формы электронного пакета и параметров лазера. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и прикладное значение.
– Впервые создан теоретический фундамент для проведения абсолютно нового класса экспериментов в физике высоких энергий, где мы можем взглянуть на фундаментальные частицы с другой точки зрения, – отмечает декан физического факультета ТГУ, заведующий лабораторией анализа данных физики высоких энергий Сергей Филимонов. – Наряду с этим разработанная модель может послужить основой для создания ультраточных диагностических комплексов нового поколения. Они позволят измерять и контролировать параметры пучков на ускорителях «на лету» – без их разрушения.
Фото пресс-службы ТГУ
