Electron-positron pair production in the presence of strong and oscillating electromagnetic fields
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden theoretische Studien zur Elektron-Positronpaarerzeugung in starken externen Laserfeldern unter Berücksichtigung von Zeit- und Ortsabhängigkeiten der Felder durchgeführt. Basierend auf einer exakten, feldtheoretischen Methode (In-/Out-Formalismus) wurden für experimentell relevante Feldkonfigurationen die Observablen und Charakteristiken des Paarerzeugungsprozesses nicht-störungstheoretisch bezüglich der Wechselwirkung des quantisierten Dirac- Feldes mit den elektromagnetischen Hintergrundfeldern jenseits der Dipolnäherung berechnet. Somit konnte für eine Reihe von Szenarien die bisher genauesten Vorhersagen, beispielsweise für die Spektren der erzeugten Teilchen, erzielt werden. Wie die angestellten Analysen zeigen, sollten generell die Ortsabhängigkeiten in realistischen Laserfeldern berücksichtigt werden. Wie Vergleiche zwischen den von uns erzielten exakten Resultaten mit denen im Rahmen der Locally-Constant-Field-Approximation (LCFA) erfolgten Berechnungen zeigen, werden die Spektren sowie die Anzahl der produzierten Teilchen durch die LCFA-Rechnungen vielfach überschätzt. Das ist insbesondere auch für die Feldkonfigurationen im dynamisch assisierten Schwinger-Effekt der Fall, wo bereits die bloße Berücksichtigung der endlichen Zeitdauer sowie räumlichen Lokalisierung des starken, ansonsten schwach variierenden Pulses starken Einfluss auf die Charakteristiken der Paarerzeugung ausüben. Detailiertere Studien zu Einflüssen konkreter Ortabhängigkeiten sowie Pulsformen erlauben es im Prinzip die für experimentelle Beobachtung des Schwinger-Effekts aussichtsreichsten Feldkonfigurationen aufzufinden. Im Laufe unserer Studien zeigte sich dennoch, dass die praktische Durchführung exakter numerischer Berechnungen für allgemeine, raum- und zeitabhängige Felder letztlich durch die enorm anwachsende Rechenzeit Grenzen gesetzt sind. Aus diesem Grund war es auch wichtig genaue Kriterien bzw. Gültigkeitsbereiche für die Anwendung gängiger Näherungen zu beleuchten bzw. anzugeben. Im Rahmen des Projekts konnte die hier entwickelte und verwendete feldtheoretische Methode dahingehend verallgemeinert werden, sodass auch die Berücksichtigung der zusätzliche Wechsel-wirkung des quantisierten Dirac-Feldes mit dem quantisierten Strahlungfeld gelang. Diese Erweiterung erlaubte uns erste Berechnungen von Spektren der aus dem Vakuum emittierten Photonen jenseits bisher verwendeter Näherungen durchzuführen. Gerade für den Nachweis des (dynamisch assistierten) Schwinger-Effekts erscheinen Untersuchungen der Charakteristiken des Erzeugungs-prozesses weicher Photonen, als mögliche Signatur für den Schwinger-Effekt vielversprechend. Inwieweit mögliche Verstärkungseffekte der Elektron-Positronpaarerzeugung bei Anwesenheit reeller Photonen im Ausgangszustand eintreten, sollte in weitergehenden Studien aufgeklärt werden.
Publications
- Momentum distribution of particles created in space-time-dependent colliding laser pulses, Physical Review D96, 076006 (2017)
I.A. Aleksandrov, G. Plunien, V.M. Shabaev
(See online at https://doi.org/10.1103/physrevd.96.076006) - Dynamically assisted Schwinger effect beyond the spatially-uniform-field approximation, Physical Review D97, 116001 (2018)
I.A. Aleksandrov, G. Plunien, V.M. Shabaev
(See online at https://doi.org/10.1103/physrevd.97.116001) - Locally-constant field approximation in studies of electron-positron pair production in strong external fields, Physical Review D99, 016020 (2019)
I.A. Aleksandrov, G. Plunien, V.M. Shabaev
(See online at https://doi.org/10.1103/physrevd.99.016020) - Photon emission in strong fields beyond the locally-constant field approximation, Physical Review D100, 116003 (2019)
I.A. Aleksandrov, G. Plunien, V.M. Shabaev
(See online at https://doi.org/10.1103/physrevd.100.116003)
