Реакция излучения и генерация потоков вторичных частиц и ЭМ излучения с экстремальными параметрами при взаимодействии мультипетаваттных лазерных импульсов с веществом

Поведение вещества в экстремально сильных электромагнитных (ЭМ) полях привлекает к себе в последнее время огромное внимание. Это связано как с прогрессом в наблюдательной астрономии (позволяющей получать данные об астрофизических объектах с сильными ЭМ полями и релятивистскими плазменными течениями), так и с быстрым развитием мощных лазерных систем. В настоящее время в мире работает уже несколько мультипетаваттных систем (в том числе, установка PEARL в ИПФ РАН с мощностью до 3 ПВт в режиме посткомпрессии). Более того, находятся в стадии разработки и строительства лазерные установки субэкзаваттной мощности (XCELS (Россия) и SEL, (КНР)). Появление таких систем позволяет исследовать новый режим взаимодействия лазерного излучения с веществом, в котором ключевую роль играют реакция излучения и квантово-электродинамические (КЭД) процессы. Как показывают расчеты, такой режим взаимодействия сопровождается новыми явлениями, такими как радиационный захват электронов в области сильного поля, генерация сильных квазистатических ЭМ полей, образование потоков поляризованных частиц и др. Более того, эффективность конверсии лазерной энергии в высокоэнергетическую компоненту частиц и фотонов, образующихся в области взаимодействия, а также эффективность передачи углового момента от излучения к частицам в таком режиме резко возрастают. Таким образом, помимо фундаментального значения, исследование взаимодействия мультипетаваттного лазерного излучения с веществом может способствовать разработке мощных импульсных источников заряженных частиц и гамма-квантов, в том числе в труднодоступных областях ЭМ спектра. Целью предлагаемого проекта является исследование взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом с учетом реакции излучения и различных КЭД эффектов, а также планирование и обоснование экспериментов на мультипетаваттных лазерных системах, включая эксперименты, направленные на получение потоков частиц и ЭМ излучения с рекордными параметрами. В частности, мы предлагаем следующий план исследований процессов, сопровождающих лазерно-плазменное взаимодействии на мультипетаваттном уровне мощности: - разработка моделей и численные расчеты генерации пучков заряженных частиц и ЭМ излучения с заданной поляризацией (в том числе, аттосекундных импульсов); - расчеты и аналитические модели поглощения лазерного импульса и генерации быстрых частиц (электронов и ионов) в замагниченной плазме и экстремальных световых полей; - разработка и анализ схем взаимодействия лазерного излучения со структурированными плазменными мишенями, исследование процесса передачи углового момента от ЭМ поля к частицам и генерации сверхсильных магнитных полей в таких мишенях; - разработка теоретических моделей эффектов реакции излучения (стохастическая теория радиационных потерь; теория и численные модели коллективного радиационного трения за счет когерентного излучения электронов в классическом и квантовом режимах); - моделирование и оптимизация реалистичных сценариев вынужденного фотон-фотонного рассеяния в вакууме в полностью оптических (all-optical) схемах. Полученные в рамках исследования результаты предполагается использовать для планирования экспериментов на мультипетаваттных лазерных системах (прежде всего на системе PEARL в ИПФ РАН и проектируемой в России установке XCELS). Результаты проекта будут также представлять существенный интерес для приложений в области медицины и материаловедения, в которых необходимы специальные источники частиц и излучения, а также для астрофизики, где эффекты реакции излучения могут играть определяющую роль.