[論文レビュー] Electron-positron pair production in inhomogeneous electromagnetic fields

Christian Kohlfürst|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Atomic and Molecular Physics参考文献 26被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、位相空間におけるディラック＝ハイゼンベルク＝ウィグナー（DHW）形式を用いて、不均一な電磁場における電子・陽電子対生成を調査する。有効質量の特徴と励起状態の閉じ込め（チャンネルクロージング）を動径スペクトルで特定し、空間的に集光された場において粒子生成断面積が増加することを示し、電場と磁場が共存する状況においてローレンツ不変量が対生成を支配することを示し、周波数依存性の非単調性とポンドモティブ効果が数値的に確認された。

ABSTRACT

The process of electron-positron pair production is investigated within the phase-space Wigner formalism. The similarities between atomic ionization and pair production for homogeneous, but time-dependent linearly polarized electric fields are examined mainly in the regime of multiphoton absorption (field-dependent threshold, above-threshold pair production). Characteristic signatures in the particle spectra are identified (effective mass, channel closing). The non-monotonic dependence of the particle yield on the carrier frequency is discussed as well. The investigations are then extended to spatially inhomogeneous electric fields. New effects arising due to the spatial dependence of the effective mass are discussed in terms of a semi-classical interpretation. An increase in the normalized particle yield is found for various field configurations. Pair production in inhomogeneous electric and magnetic fields is also studied. The influence of a time-dependent spatially inhomogeneous magnetic field on the momentum spectrum and the particle yield is investigated. The Lorentz invariants are identified to be crucial in order to understand pair production by strong electric fields in the presence of strong magnetic fields.

研究の動機と目的

• 均一な場を超えて空間的に不均一な配置における多光子対生成の理解を拡張すること。
• 半古典的および量子的輸送法を用いて、不均一な電場における有効質量およびポンドモティブ力の役割を調査すること。
• 時間的に変化する空間的に不均一な磁場が対生成スペクトルおよび生成断面積に与える影響を分析すること。
• 電場と磁場が共存する強い場QEDにおいて、ローレンツ不変量が対生成を決定づける鍵要因であることを特定すること。
• レーザーの実際のパラメータに適合可能な場の配置を採用することで、理論的モデルと実験的実現可能性を橋渡しすること。

提案手法

• 非一様かつ時間的に変化する場を扱えるように、位相空間における対生成を記述するためのディラック＝ハイゼンベルク＝ウィグナー（DHW）形式を採用する。
• 擬スペクトルおよび擬微分作用素法を用いて、高い精度で輸送方程式を数値的に解く。
• 動径スペクトルの解釈およびチャンネルクロージングなどの特徴を特定するために、有効質量モデルを適用する。
• レーザーの集光を模擬するため、空間的に局在化した電場を導入し、3+1次元におけるポンドモティブ効果を研究する。
• 時間的に変化する空間的に不均一な磁場への拡張を図り、均一場の極限と比較する。
• すべての配置においてマクスウェル方程式およびローレンツ不変性の整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電場の空間的不均一性は、電子・陽電子対生成における有効質量および粒子生成断面積にどのように影響するか？
• RQ2 不均一な場において、動径スペクトルに現れる観測可能な特徴（例：チャンネルクロージング）は何か？
• RQ3 空間的に集光された場において、ポンドモティブ力は粒子の運動量分布にどのように影響するか？
• RQ4 強い電場と磁場が共存する状況において、ローレンツ不変量は対生成率を決定づける上で果たす役割は何か？
• RQ5 不均一な配置において、キャリア周波数に非単調な依存性が見られるのはなぜか？

主な発見

• 有効質量モデルは、粒子生成断面積の振動的構造および運動量空間におけるピーク位置をうまく説明でき、不均一場においてもその有効性が確認された。
• キャリア周波数に対する正規化された粒子生成断面積に非単調な依存性が観測され、場の周波数と空間的集光の間の複雑な相互作用が示された。
• 電場の空間的集光は、正規化された粒子生成断面積の顕著な増加をもたらし、運動量スペクトルに相対論的ポンドモティブ力の痕跡が現れた。
• 有効場強度の概念が妥当であることが確認され、数値的DHW結果と多光子領域における理論的予測が一致した。
• 時間的に変化する空間的に不均一な磁場が存在する場合、粒子生成断面積は有効場強度に強く依存し、弱い場では外挿された均一場モデルの予測と一致した。
• ローレンツ不変量が、電場と磁場が共存する状況における対生成を支配する基本的量であることが特定され、さまざまな場の配置において一貫した結果が得られた。