Итоговый отчет по гранту No (18-32-00723 мол_а)
«Исследование сверхкритического резонанса в тяжелых квазимолекулах»
Руководитель: Мальцев Илья Александрович


Реферат
Спонтанный распад вакуума путем рождения электрон-позитронных пар представляет собой фундаментальное явление, которое становится возможным в очень сильном (сверхкритическом) электромагнитном поле. Поле необходимой величины может быть получено в столкновениях тяжелых ионов. Однако, долгое время считалось, что спонтанное рождение пар, вызванное распадом вакуума, неотличимо от динамического процесса рождения пар, вызванного движением ядер. В рамках настоящего проекта впервые показано, что существует способ обнаружить спонтанный механизм рождения пар и, следовательно, зарегистрировать распад вакуума в эксперименте.

Также в рамках настоящего проекта были развит новый метод расчета ширины и положения сверхкритического резонанса в тяжелых квазимолекулах. С помощью разработанного метода были рассчитаны параметры сверхкритического резонанса в квазимолекулах для различных значений межъядерного расстояния. В том числе были получены значения для квазимолекул в однородном электрическом поле, моделирующем поле лазера.

Полученные результаты представляются крайне востребованными для будущих экспериментов.
Введение
Наблюдение распада вакуума в сверхкритическом поле путем рождения электрон-позитронных пар имеет фундаментальное значение для квантовой электродинамики. Сверхкритическое поле может быть получено в столкновении тяжелых ионов. Однако, такой процесс еще ни разу не наблюдался в эксперименте. Более того, долгое время считалось, что невозможно отличить спонтанное рождения пар, происходящее вследствие распада вакуума от динамического рождения пар, вызванного зависящим от времени потенциалом ядер (если не считать столкновений с гипотетическим "слипанием" ядер). 
Основная часть отчета о НИР

Спонтанный распад вакуума в сверхкритическом поле является фундаментальным явлением, которое до сих пор не наблюдалось в эксперименте. Сверхкритический режим может быть достигнут в медленном столкновении двух тяжелых ионов, если суммарный заряд их ядер превышает критическое значение Z = 173. В сверхкритическом режиме основное состояние квазимолекулы, сформированной ионами, погружается в отрицательно-энергетический континуум Дирака, превращаясь в резонанс, что приводит к распаду вакуума с испусканием позитронов. Регистрация испущенных частиц стала бы прямым свидетельством такого распада. Однако, в столкновениях тяжелых ионов рождение электрон-позитронных пар также может быть вызвано динамикой сталкивающихся ядер. Поэтому, для того чтобы обнаружить следы распада вакуума, необходимо выделить спонтанный механизм рождения пар на фоне динамического. Долгое время считалось, что сделать это возможно только в столкновениях с достаточно продолжительным «слипанием» ядер за счет ядерных сил. В рамках данного проекта был предложен метод, который позволяет обнаружить распад вакуума в столкновениях тяжёлых ионов без всякого слипания. Подход основан на различном поведении вероятности рождения пар как функции скорости ионов в докритическом и сверхкритическом случаях. Предложенный метод и результаты соответствующих расчётов были опубликованы в статье [Maltsev et al., Phys. Rev. Lett. 119, 123, 113401 (2019)].

Для поиска лучших сценариев наблюдения распада вакуума необходимы расчёты характеристик сверхкритического резонанса. В рамках данного проекта впервые был разработан метод расчета, учитывающий полный двухцентровый потенциал ядер. С помощью разработанного метода были проведены расчёты энергии и ширины сверхкритического резонанса в квазимолекулах. Расчеты в том числе были выполнены для квазимолекул, помещенных в однородное электрическое поле, с помощью которого моделировалось поле лазера. Рассчитанная ширина сверхкритического резонанса позволила оценить вероятность спонтанного рождения пар в рамках квазистационарного приближения. Описание метода расчета и часть полученных результатов приведены в статье [Мальцев и соавторы, "Расчёт энергии и ширины сверхкритического резонанса в квазимолекуле урана"], принятой к печати в журнал "Оптика и спектроскопия".

Заключение
Важнейшим результатом реализации настоящего проекта безусловно является предложенный сценарий обнаружения спонтанного распада вакуума в столкновениях тяжелых ионов. Поиск такого сценария был фундаментальной задачей проекта.