Wechselwirkung bei extrem hohen Dichten der elektromagnetischen Energie und QED Prozesse in super-kritischen Feldern

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Pukhov
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430078384

Die nächste Generation an Lasersystemen ist gerade weltweit im Aufbau, u.a. das Europäische Projekt ELI, der POLARIS-Laser in Dresden (D) und der XCELS-Laser in Nizhny Novgorod (Russland). Gleichzeitig sind lineare multi-GeV Elektronenbeschleuniger am DESY (D) und am SLAC (USA) im Rahmim Rahmen des FACET-Programms in Betrieb. Es ist zudem geplant, letztere mit optischen Femtosekundenlasern zu kombinieren.Der enorme Fortschritt in der Lasertechnologie als auch in der konventionellen und plasma-basierten Teilchenbeschleunigung eröffnet einmalige Möglichkeiten für experimentelle Studien zur Quantenelektrodynamik in starken Feldern (SFQED), u. a. jene Bereiche, die fast noch völlig unerforscht sind, wie Strahlungskorrekturen höherer Ordnung (bezogen auf die Feinstrukturkonstante).Übertrifft die Feldstärke in einem geeigneten Bezugssystem eines ultrarelativistischen Teilchens den Schwinger-Wert um den Faktor 1000, können Strahlungskorrekturen in der SFQED signifikant werden. In diesem Kontext von großem Interesse ist das kürzlich vorgeschlagene und mittelfristig geplante Upgrade FACET-II. Dieses sieht vor, einen extremen Teilchen-Collider zu entwickeln, bestehend aus 100 GeV Leptonenstrahlen mit Mega-Ampere Stromstärke, die auf Nanometer-Skalen fokussiert werden. Die Strahldichte wird daher erstmals die Compton-Dichte am Interaktionspunkt übertreffen. Wir werden ein neues Regime erreichen, in dem extrem energetische Leptonen mit extremen Feldern und Energiedichten wechselwirken. Aktuell fehlt hier eine theoretische Beschreibung vollends.Unser Vorschlag beabsichtigt die Entwicklung der Theorie und Modellierung solcher überkritischer SFQED Bereiche. Wir werden die Interaktion (i) gegenläufiger Starkstrom-Leptonenstrahlen und (ii) extrem kurzer und intensiver Strahlung mit ultrarelativistischen Elektronen erforschen. Wir vermuten, dass der dynamische Quantenparameter in beiden Fällen viel größer ist als 1. Er kann sogar so groß sein (bis zu 1000), dass Strahlungskorrekturen höherer Ordnung berücksichtigt werden müssen (extrem überkritische SFQED). Wir schlagen vor, die Wahrscheinlichkeiten der wichtigsten SFQED-Prozesse zu berechnen, wofür die derzeitige theoretische Methodik substantiell überdacht werden muss.Die Analytik wird dann in unsere QED-PIC Codes VLPL und QUILL implementiert. Die angepassten Codes werden verwendet, um die Interaktion von Teilchenstrahlen in extrem überkritischen Systemen zu simulieren, welche relevant für künftige Starkstrom-Leptonen-Collider und extrem intensive Laserpulse ist.Unsere Resultate können für die Astrophysik von großem Interesse sein, wo die Beschreibung bestimmter Phänomene die Postulierung überkritischer Magnetfelder und die Interaktion ultrarelativistischer Teilchen-Jets bedarf. Das vorgeschlagene Projekt am Schnittpunkt der SFQED und der Modellierung von nichtlinearen Prozessen in ultrarelativistischen Plasmen ist einzigartig und entspricht bzw. übertrifft das fortgeschrittene internationale Level.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor Kostyukov, bis 3/2022