Введение к работе
Квантовая электродинамика является наиболее развитой частью квантовой теории поля. В настоящее время наибольший интерес представляет проверка положений квантовой электродинамики для экстремальных условий. Такие условия выполняются, например, в электромагнитных полях большой интенсивности, велпчіша которых порядка характерного квантовоэлсктродпнамического значения:
F0 = ^-= 1.32-1016 вольт/см. ей
Такое поле на комптоновской длине волны электрона производит работу, равную массе покоя электрона.
В природе экстремально сильные поля существуют, например, вблизи пульсаров п "черных дыр". В лабораторых условиях сильные поля могут быть получены следующими способами.
В ориентированных монокристаллах в собственной системе движущихся вдоль кристаллографических осей ультрарелятшшстскпх электронов с энергией в десятки и сотни Гэв.
При столкновении ускоренных тяжелых ионов.
При столкновении ультрарелятшшстскпх электронов и 7-квантов со сфокусированным мощным лазерным излучением.
Наиболее интересные исследования электродинамических процессов в лазерпом излучении являются очень сложной научно-технической задачей, а данные по столкновению понов сложны для интерпретации.
Для экспериментального изучения процессов в сильных нолях кристаллов требуются электронные и фотонные пучки с энергией в десятки п сотни Гэв. Поэтому выполнение экспериментов возможно, в принципе, лишь на трех - четырех крупнейших ускорителях мира.
Актуальность работы. Во второй половине 80-х годов резко возрос интерес к экспериментальным и теоретическим исследованиям процессов взаимодействия заряженных частиц-и 7-кваитов с энергиями в десятки и сотни Гэв с ориентированными кристаллами. Этот интерес был вызван в осповном двумя прігшнами.
Одна из них связана с результатами первых экспериментов, выполненных в ЦЕРНе [A.Belkacem et al. Phys.Lelt. 1986, 177Б, 2113].
Излучение электронов с энергией 150 - 170 Гэв происходило в полях кристаллографических осей кристаллов кремния п германия. При таких энергиях электронов кристаллическое поле достигало в системе покоя частицы величин 0.5 - 0.9 от значения критического поля Fq. Был обнаружен аномально большой сброс энергии электронами, выразившийся в образовании необычного "Пика Белкасема". Этот эффект привлек большое внимание. Вышло большое число теоретических работ, объясняющих механизм образования этого и ему подобных пиков. Эффект стимулировал проведение ряда экспериментальных работ, выполненных в ЦЕРНе н ИФВЭ (г.Протвино) но исследованию процессов излучения электронов в интенсивных нлп сильных полях различных кристаллов.
Первый эксперимент по образованию с+е~-пар в сильных нолях кристалла, выполненный в ЦЕРНе [A.Bclkacem et al. Phys.Rev.Lett., 1984, 53, 2371), также вызвал оживленные дискуссии. Его данные оказались ошибочными, но, как это нередко бывает, привлекли внимание экспериментаторов п теоретиков к электродинамическим процессам в кристаллах прп высоких энергиях.
Другая причина возникшего общего интереса связана с открывшимися новыми, нередко необычными областями практического использования эффектов, возиикаюших прп прохождении частіщ через ориентированные кристаллы. Если говорить об уже полученных результатах, то, например, сформировалось такое направление исследований, которое можно назвать "кристаллооптикой пучков". Изогнутые кристаллы используются для вывода из кольца ускорителя и создания пучков положительных частиц. Успешно реализована оригинальная идея использования изогнутой кристаллографической плоскости для измерения енпна частицы. В экспериментах, выполненных в Национальной лаборатории Ферми (США), такпм образом измерен спин сигма-гиперона.
В представленной диссертационной работе содержатся материалы актуальных экспериментальных исследований, выполненных в Институте физики высоких энергий (г. Протвино) по теме "Квантовая электродинамика в сильных полях ориентированных кристаллов", включая вопросы использования в экспериментальной технике эффектов развитпя электромагнитных ливней в кристаллах. Работа выполнена на установке "Каскад" сотрудничеством физиков ФИАН - ФТИ
(г.Харьков) - МИФИ - ИФВЭ - ИЯФ (г.Новосибирск). Автор диссертации, являясь руководителем экспериментов, принимал непосредственное участие во всех этапах работы.
Цель работы. В работе рассмотрены две проблемы, имеющие научный и прикладної! характер.
- Одной целью работы является экспериментальное исследование
радиационных процессов в существенно квантовой области, проис
ходящих прп прохождении электропов п фотонов высокой энергии в
ориентированных кристаллах. Здесь существует несколько задач. Ис
пользование кристаллов вольфрама, имеющих по сравнению с другими
кристаллами наибольшие потенциалы кристаллографических осей ( до
~ 5 1011 вольт/см в лабораторной системе), позволило прп энергии до
~ 30 Гэв достичь величины поля близкого к Fq в системе частицы. Это
дало возможность измерить процессы излучения электронов и фоторо-
жденпя пар аналогичные тем, которые измерялись в ЦЕРНе па более
легких кристаллах германия и кремния при эпергиях > 100 Гэв.
Следующая задача, связанпая с предыдущей, заключается в экспериментальном исследовании характеристик специфичных электромагнитных ливней, развивающихся в ориентированных кристаллах.
В работе также рассмотрена возможность осуществления нового, по-впдпмому, наиболее информативного и интересного направления исследований - измерение процессов нелинейной квантовой электродинамики в сильных электромагнитных полях, возникающих при столкновении электропов и фотонов при энергии ~ 100 Гэв с мощным лазерным излучением.
- Другая цель работы заключается в изучении и развитии новой
области практического использования радиационных эффектов, обна
руженных в кристаллах. Это область связана с измеренными необыч
ными характеристиками электромагнитных ливней в кристаллах. В
работе показана возможность прпменепия ливневых эффектов в гамма-
астрономии для создания гамма-телескопа высокого углового разреше
ния и в физике высоких энергий для создания спектрометров напра
вленного действия.
Исходя пз задач, исследования проводились на двух типах кристаллов: волфраме п кремнии. Вольфрам обладает наибольшим осевым потенцпалом пз совершенных кристаллов. Кремнии является одним
пз самых распространенных, совершенных, сравнительно недорогих кристаллов, имеющих большие размеры и поддающихся сравнительно простой технологической обработке. Поэтому измерение электродинамических процессов в кристаллах кремния выполнено с целью их практического использования.
Норизна работы. Измеренные характеристики существеїшо квантовых процессов излучения фотонов электронами и фоторождепия е+е~-пар в кристаллах вольфрама получены впервые и остаются единственными в области энергий ~ 10 — 30 Гэв. Впервые выполнено подробное изучение электромагнитных ливней, образованных в различных кристаллах электронами и 7-квантами с энергией до ~ 30 Гэв. Впервые обнаружен ориентационный эффект ливней от 7-квантв с энергией > 1 Гэв. Впервые детально изучены вопросы практического применения в гамма-астрономии и физике высоких энергий эффектов развития в кристалле электромагнитного ливня. Впервые создана амплитудно-координатная система мечення фотонов высокой энергии.
Научная и практическая значимость. Полученные результаты были использованы для проверки применимости операторного квази-класспческого метода для описания радиационных процессов в кристаллах при высоких энергиях. Данные по ливням могут быть использованы как для проверки моделей п теорпп развития ливней в кристаллах, так и для создания новой экспериментальной аппаратуры.
Разработанные конструкции гамма-телескопа высокого углового разрешения могут быть применены в космической гамма-астрономии для идентификации обнаруженных, но пока не отождествленных дискретных источников 7-нзлучеішя с известными астрофизическими объектами, оказавшимися в пределах их бокса ошибок. Разработанные конструкции спектрометра полного поглощения, использующего кристаллический конвертор-радиатор и обладающего рядом интересных характеристик, могут быть применены в экспериментах на существующих н планируемых мощных ускорителях для спектрометрии 7" квантов н электронов.
Рассмотренные вопросы регистрации процессов, происходящих при столкновении электронов п 7-квантов с лазерным излучением, могут быть использованы при подготовке эксперимента, требующего согла-
сованной работы таких сложных установок, как мощного ускорителя п выеоконнтенсивного лазера.
По материалу работы получено в соавторстве Авторское свидетельство на изобретение N 1614677 под названием "Снособ определения направления пучка 7-квантов".
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международном рабочем совещании по каналированию п другим когерентным эффектам в кристаллах при релятивистских энергиях (г. Орхус, Дания, 1995 г); На Международной конференции по излучению электронов в периодических структурах (RREPS-93, г.Томск, 1993 г); на XXII и XXIV Международных конференциях по космическим лучам (г. Дублин, Великобритания, 1991 и г. Рим, Италия, 1995); на XIX, XX и XXI Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (МГУ, Москва, 1989, 1990, 1991 гг); на I и II Всесоюзных рабочих совещаниях но физике на ВЛЭПП (ИФВЭ, г. Протвино, 1991 и 1992 гг); па Всесоюзном совещании по проблемам применения эффектов каналпроваиия частиц кристаллами в физике высоких энергий (ИФВЭ, г. Протвино, 1991); па ІУ Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с твердыми телами (п. Эльбрус, Кабардино-Балкария, 1990 г); на научной сессии Отделения ядерной физики РАН (ИТЭФ, Москва, 1992 г); на Рабочем совещании по программе эксперимента "POLEX'' (ИФВЭ, Протвино, 1992 г); на Рабочих совещаниях по проблемам взаимодействия заряженных частиц и 7-квантов с сильными полями (ФИАН, Троицк, 1988 и 1989 гг); па научных семинарах Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, Отделения ядерной фпзпки п астрофизики ФИАН, Отдела физики высоких энергий ФИАН.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 27 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит пз введения, шести глав и заключения. Объем диссертации 175 страниц, включая 60 рисунков.
8 .
