Коллектив физиков из США и Израиля впервые экспериментально наблюдал разновидность эффекта Комптона, при которой два рентгеновских фотона рассеивались на атоме бериллия с образованием одного фотона с вдвое большей энергией. Работа опубликована в Nature Physics.

Авторы использовали лазер на свободных электронах для получения рентгеновского излучения с очень высокой интенсивность — до 1020 ватт на квадратный сантиметр. Такой пучок проходил на две последовательно расположенных мишени, сделанных из тонкого слоя бериллия. Первая мишень рассеивала или поглощала больную часть излучения, а вторая мишень использовалась для анализа оставшейся малоинтенсивной части пучка.

Один из возможных механизмов, описывающих образование одного испускаемого фотона из двух падающих. Изображение: Matthias Fuchs et al./ Nature Physics

В спектре рассеянного излучения авторы наблюдали полосу, соответствующую энергии фотонов около 18 килоэлектрон-вольт, хотя падающее излучение обладало энергией 9 килоэлектрон-вольт. Кроме того, зависимость числа рассеянных фотонов квадратично зависела от интенсивности падающего излучения. Оба этих факта являются признаками нелинейного комптоновского рассеяния, при котором два фотона рассеиваются одновременно с образованием одного, но с большей энергией.

Схема экспериментальной установки. Изображение: Matthias Fuchs et al./ Nature Physics

Физики также отметили, что часть энергии, которая терялась в процессе неупругого рассеяния не соответствовала ожидаемому расчетному значению. По мнению авторов, из-за очень высокой интенсивности пучка удалось наблюдать необычный эффект, когда в рассеянии падающих фотонов участвовали 1s электроны бериллия. Чаще всего комптоновское рассеяние происходит на электронах, расположенных на более высоких уровнях, в случае бериллия — на 2s.

Физики отмечают, что благодаря использованию мощного лазера на свободных электронах, им удалось впервые наблюдать свойства рентгеновского излучения, ранее описанные лишь в теории. Установка, которую авторы использовали в работе, является одной из крупнейших в мире, она расположена в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США. В настоящий момент в Германии строится лазер на свободных электронах еще большего размера. В его создании участвуют 12 стран мира, в том числе Россия.