圣彼得堡大学的物理学家与外国专家们在实验中通过测量低能量重离子碰撞产生的正电子数量,找到了可以观测到超临界库伦场真空衰变的证据。

    几乎在20世纪30年代初期量子场理论被确立之后,立即注意到,理论上预测,如果恒定均匀电场的强度是相等或大于(非常大)临界值的话,就会自发产生电子-正电子对。尽管从理论的角度来看,这种现象当时已经在大量的实验工作中进行了研究,但由于所需的场强实际上无法达到,因此没法进行实验检测。这项具有重大价值的实验发现的测定希望与激光技术的发展息息相关。但是在未来的几十年里,激光似乎不太可能达到所需的磁场强度。

研究结果发表在《物理评论快报》上。

        50年前,苏联物理学家谢苗·格尔施坦、雅科夫·泽尔多维奇和弗拉基米尔·波波夫在瓦尔特尔·格拉聂耳领导的德国小组之外,提出了一种研究超临界场下真空性质的替代方法。这些研究表明,在一个带电的裸核场中,当电荷大于临界值173时,真空变得不稳定,其结果就是可以自发产生正电子。 即在从亚临界状态到超临界状态的转变中,最初的中性真空衰减为带电真空和两个正电子。

 由于在自然界中不存在具有如此大电荷的原子核(当前开放元素中最重的原子Oganeson的电荷为118),因此创建超临界场的唯一方法是碰撞总电荷大于临界值(Z1 + Z2> 173)的原子核。大约30年前在德国达姆施塔特的重离子研究所进行用来观察这种效果的尝试均以失败告终。

     此外,在格赖纳的领导下,已领先研究这个话题有20多年的德国理论小组得出的结论是,只有当发生碰撞的原子核因为核力量附着在一起,并达到一定时间是,才能试验性地观察到真空衰减。这种结合的必要性产生于由于在弹性碰撞中存在时间较短的超临界场状态中,因此,在亚临界和超临界场均发生动态(诱发)正电子的大动态(诱导)产生的背景下,无法看到正电子的自发产生。但是,目前尚无法找到这种碰撞中核聚结的任何证据。

从我们十多年前着手这个问题的最初期,我就不相信在这种碰撞中会发生核聚集的说法。

圣彼得堡国立大学量子力学系教授弗拉基米尔·沙巴耶夫

    “我们的主要想法是计算出可以发现的一些可观测数值,这些数值将明确表明亚临界和超临界状态之间存在质的差异。但是,为了实现这个想法,首先,有必要开发新的方法来计算重离子的低能碰撞中电子-正电子场的动态数据,这将使我们超越格赖纳组所使用的近似值。”圣彼得堡国立大学量子力学系教授弗拉基米尔·沙巴耶夫说到。

     研究人员指出,这是一项巨大的长期工作,经验丰富的科学家们和该部门的年轻工作人员(包括学生和博士研究生)都参加了这项工作。 他们研发的方法可以评估以前未考虑到的影响作用,并可以开始研究所探讨过程中的量子动力学更详细的细节。

      “结果,我们成功地证明了,通过一定的(相当真实的)实验来测量两个裸核或裸核与中性原子的低能碰撞过程中产生的正电子数目,可以清楚地区分出自发生产的正电子的贡献,证明超临界库仑场中的真空衰减过程将会变得十分明确清晰。在这种况下,不需要任何的核聚集。这项工作已经引起了实验工作者的极大兴趣,我毫不怀疑这将极大地影响到德国(FAIR)和中国(HIAF)正在进行的巨型建设项目的研究计划。但我对相应的项目将在俄罗斯启动这一规划寄予厚望。今年6月尤里·索拉科维奇·奥加涅斯扬访问圣彼得堡国立大学时告诉我们,这在杜布纳有机会实现。”弗拉基米尔·沙巴耶夫解释说。

fiziki tablica

该图显示了对于具有固定最小近似核(Rmin = 16.5 Fermi)的轨迹,在相同电荷Z = Z1 = Z2的情况下,正电子产生概率相对于碰撞裸核的能量的导数。 垂直红线将亚临界模式和超临界模式分开。 随着Z的增加,函数dP /dη的降低表明最初的中性真空衰减为带电真空和两个正电子。

        “总而言之,我想强调,”——弗拉基米尔·沙巴耶夫继续说道,“尽管这项工作的人员名单中包括来自不同国家的科学家,但这项研究的领导作用无疑属于圣彼得堡国立大学量子力学系的工作人员们。 除了我之外,还有教研室的年轻员工伊利亚·马尔采夫尤里·柯泽杜布,以及博士研究生罗曼·波波夫德米特里·图马科夫。最后,我要提及的是,如果没有圣彼得堡国立大学根据一号和二号措施举行的竞赛提供资金支持,这项工作以及过去十年中的许多其它工作都是根本不可能实现的。”