Тайны микромира на просвет вывел томский учёный / Наука и технологии
В современной физике элементарные частицы часто принято представлять в виде упрощенных бесконечных плоских волн. Хотя такого подхода хватает для большинства стандартных опытов, он скрывает реальную геометрию частицы — ее «волновой пакет». Чтобы заглянуть внутрь этого «сгустка» энергии и рассмотреть его в деталях, требуются принципиально новые подходы. Эту сложную задачу блестяще решил молодой ученый Томского государственного университета Иван Акимов: он математически рассчитал модель уникального оптического прибора, способного фиксировать неуловимые прежде волновые эффекты. За эту работу исследователь получил диплом победителя престижного всероссийского конкурса «Наука будущего – наука молодых».
Обычно физики высоких энергий изучают некогерентные процессы рассеяния, фиксируя лишь те частицы, которые разлетелись под углами из зоны взаимодействия. Информация же о частицах, пролетевших сквозь эту зону и изменивших свои свойства, при этом терялась. Исследователь ТГУ предложил взглянуть на процесс под совершенно другим углом. Теоретические расчёты привели к неожиданному выводу: если рассеяние света на электроне происходит когерентно, то есть учёные наблюдают за изменением лазерного луча, электронный волновой пакет начинает вести себя как необычная оптическая среда. Свет проходит через него не как сквозь пустоту, а как через специфическую жидкость с уникальными свойствами.
В этом процессе задействованы плазмон-поляритоны — гибридные квазичастицы, рождающиеся при сцеплении квантов света и электронных колебаний. Чтобы зафиксировать этот неуловимый эффект, научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ Иван Акимов теоретически обосновал схему на базе классического интерферометра Маха – Цендера.
«Принцип работы интерферометра можно представить так: лазерный луч расщепляется светоделителем на две равные части («плечи» интерферометра)», – объясняет Иван Акимов. – «Один луч идёт по «пустому» маршруту, а второй проходит через область, где летит волновой пакет электрона. Затем оба луча снова соединяются на экране-детекторе.
Будь электрон простой точкой, свет прошел бы насквозь без изменений. Но поскольку электрон представляет собой волновой пакет с определенной дисперсией, световая волна во втором «плече» слегка замедляется и меняет характеристики. При воссоединении лучей на детекторе рождается уникальный интерференционный узор из светлых и темных полос. По их смещению и рисунку можно детально «считать» профиль и форму волнового пакета, не разрушая саму частицу.
В ходе исследования молодой ученый решил уравнения Максвелла и вывел точные формулы распределения энергии света в зависимости от параметров лазера и формы электрона. Эти достижения открывают огромные перспективы как для фундаментальной науки, так и для практического применения.
«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.
