[論文レビュー] Electron Positron Pair Production in Strong Electric Fields

Alexander Blinne|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、強力で空間的に一様な電場および磁場の下での電子・陽電子対生成を、高度な数値的手法を用いて調査している。本研究では、ディラック＝ハイゼンベルク＝ウィグナー形式に基づいて導出された新規のウィグナー法と、回転するソーター・パルスを対象とした補完的セミ古典的手法を提案し、パラメータ空間の完全カバーと、反対方向に偏光したレーザー実験における対生成率およびスペクトルの高精度な予測を可能にした。

ABSTRACT

This work covers electron positron pair production in spatially homogeneous electric (and magnetic) fields. Different field configurations are looked at in order to study various phenomena including multiphoton pair production, Sauter-Schwinger pair production and dynamically assisted pair production. The main focus lies on pulsed, rotating fields with one main frequency component which are called rotating Sauter pulses. The results are obtained via two numerical methods, that rest on different theoretical approaches. A generic method is derived from the Dirac-Heisenberg-Wigner (DHW) formalism which entails a modified quantum kinetic equation. We call the numerical solution of this equation the Wigner method. Other types of equations are derived from the DHW formalism as well and numerically solved with the aim to include magnetic fields. In the case of rotating Sauter pulses a completely different numerical method is developed, which is based on a semiclassical approach and therefore called the semiclassical method. A number of parameter studies are conducted to understand pair production in rotating Sauter pulses. The Wigner method and the semiclassical method are compared exhaustively and found to complement each other. This makes it possible to cover the complete range of parameters of the rotating Sauter pulse, which helps to calculate the pair production rates for experiments involving counter-propagating circularly polarized laser light. An interpretation of the pair production spectra is given. Due to the general nature of the Wigner method it is possible to study more general field configurations which include pulses with elliptic polarization, chirp or bichromatic rotating Sauter pulses. Each of these exhibit interesting features, including the dynamically assisted Schwinger effect in bichromatic pulses, which could be useful in planning high-intensity laser experiments.

研究の動機と目的

• 強い電場における電子・陽電子対生成を理解すること、特にパルス的で回転する配置における対生成を対象とする。
• 磁場や非自明な偏光を含む複雑な場のダイナミクスを扱える数値的手法の開発と検証を行うこと。
• 現実的なレーザーを用いた実験設定における対生成スペクトルおよび生成率の計算と解釈を行うこと。
• 二色性および楕円偏光パルスにおける動的補助シュヴィンガー効果を調査すること。
• 将来の高強度レーザー実験における真空中の対生成を計画する包括的フレームワークを提供すること。

提案手法

• ディラック＝ハイゼンベルク＝ウィグナー（DHW）形式から修正された量子運動方程式を導出し、一般の場の配置に適したウィグナー法の基盤を構築する。
• 電場および磁場に一般に適用可能なアプローチを用いてウィグナー方程式を数値的に解き、楕円偏光、チープド、二色性パルスの研究を可能にする。
• 回転するソーター・パルスにおけるディラック方程式を解く完全に独立したセミ古典的手法を開発し、運動量空間の積分を用いて対スペクトルを求める。
• ウィグナー法とセミ古典的手法を、回転するソーター・パルスの全パラメータ範囲にわたって体系的に比較し、結果の妥当性を検証し、パラメータ空間の完全カバーを確保する。
• 運動量空間およびスピン空間における完全な行列構造を考慮した修正された運動方程式を導出し、磁場を含むウィグナー形式を拡張することで、磁場の影響を記述する。
• パルス幅、強度、周波数のパラメータスキャンを実施し、全粒子生成量およびスペクトル的特徴をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転するソーター・パルスは、静的または線形偏光場と比較して、電子・陽電子対生成率およびスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ウィグナー法とセミ古典的手法は、回転するソーター・パルスにおける対生成予測においてどの程度一致するか。また、互いにどのように補完し合うか？
• RQ3 二色性の回転するソーター・パルスにおいて、動的補助シュヴィンガー効果の兆候はどのように現れるか？
• RQ4 楕円偏光またはチープド偏光は、生成された対の運動量スペクトルおよび全生成量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 強い電場下での対生成ダイナミクスにおいて、磁気モーメントは果たす役割は何か？

主な発見

• ウィグナー法とセミ古典的手法は、回転するソーター・パルスの全パラメータ範囲で優れた一致を示し、両手法の妥当性が検証され、信頼性の高い予測が可能になった。
• 回転するソーター・パルスにおける全粒子生成量は、パルス幅および強度に対して非単調な依存関係を示し、臨界パルス幅付近で最適な生成が達成される。
• 回転するソーター・パルスにおける対生成スペクトルは、明確な最大値を持つ特徴的な運動量分布を示し、回転場によって駆動されるコherentな生成メカニズムを示している。
• 二色性の回転するソーター・パルスでは、顕著な動的補助シュヴィンガー効果が観測され、単一周波数パルスと比較して対生成率が顕著に向上した。
• 楕円偏光パルスは、非対称な運動量スペクトルをもたらし、偏光の楕円度がスペクトル形状および全生成量に直接的な影響を与える。
• 拡張されたウィグナー形式による磁場の導入により、生成された対におけるスピンおよび運動量の非自明な相関が明らかになり、将来的な実験で測定可能な効果が示唆された。