[論文レビュー] Modeling of radiative and quantum electrodynamics effects in PIC simulations of ultra-relativistic laser-plasma interaction

Mathieu Lobet, E. d’Humières+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2013

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 15被引用数 51

ひとこと要約

本稿では、超相対論的レーザー・プラズマ相互作用をシミュレートするため、PICコードCalderに放射的および量子電磁力学（QED）効果——特に非線形コンプトン散乱とブライト＝ウーレン対生成——を実装した。この手法は、低χ領域では古典的放射減衰を、高χプロセスでは確率的モンテカルロサンプリングを組み合わせており、シミュレーションと解析解の間で優れた一致が確認され、10²³ W/cm²を超える強度における対カスケードおよびエネルギー損失ダイナミクスの正確なモデリングを示している。

ABSTRACT

Next generation of ultra-intense laser facilities will lead to novel physical conditions ruled by collective and quantum electrodynamics effects, such as synchrotron-like emission of high-energy photons and electron-positron pair generation. In view of the future experiments performed in this regime, the latter processes have been implemented into the particle-in-cell code CALDER.

研究の動機と目的

• 超相対論的レーザー・プラズマ相互作用の粒子-場シミュレーションにおける放射的および量子電磁力学（QED）効果をモデリングすること。
• 強力なレーザー場における非線形コンプトン散乱による高エネルギー光子放出およびブライト＝ウーレン過程による$e^{+}e^{-}$対生成を正確にシミュレートすること。
• 一定磁場中の電子放射に関するベンチマーク設定において、実装されたモデルを解析解と照合して検証すること。
• 次世代のペタワットおよびエクサワットレーザー施設における将来の実験キャンペーンを支援するため、物理的に正確なシミュレーションフレームワークを提供すること。

提案手法

• PICコードCalderに、光子および対生成のためのQEDモデルを拡張し、電子および光子集団を表すスーパーパarticleを用いる。
• 古典的領域では、ソコロフのスキームを用いて放射減衰をモデル化し、放射パワーは量子放出率（式2）から計算する。
• 量子的領域では、放出確率の累積分布関数と光学的深さの時間発展に基づいて、モンテカルロアルゴリズムで光子放出をサンプリングする（式6–7）。
• 対生成は、同様のモンテカルロスキームをスーパーフォトンに適用し、エネルギー・運動量保存を凝集化スキームによって維持する。
• 光子および対生成の過程における古典的および量子的領域を区別するため、量子パラメータ$\chi_e$、$\chi_\gamma$、$\chi_\pm$を追跡する。
• 光子および対生成の過程におけるエネルギー・運動量保存の平均的維持を図る凝集化スキームにより、数値的効率が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形コンプトン散乱およびブライト＝ウーレン対生成といった放射的およびQED効果を、超相対論的レーザー・プラズマ相互作用のPICシミュレーションにどのように正確にモデリングできるか。
• RQ2 光子放出および対生成における古典的領域と量子的領域の遷移挙動は何か、そしてそれがシミュレーションでどのように捉えられるか。
• RQ3 高χ環境下で、放射損失および対カスケードは時間経過とともにどのように変化するか。また、電子および光子エネルギー分布にどのような影響を与えるか。
• RQ4 ベンチマーク設定において、確率的QEDプロセスのモンテカルロ実装が解析解をどの程度再現するか。

主な発見

• PICシミュレーション結果は、Fokker-Planck型方程式（9）および（10）の解析解と優れた一致を示し、QEDプロセスの実装が妥当であることを検証した。
• 量子的領域（$\chi_e \simeq 5$）では、最初の光子が初期電子エネルギー（$\gamma_\gamma \sim 10^3$）に近いエネルギーで放出され、電子からの顕著なエネルギー損失が生じる。
• 初期段階における平均光子量子パラメータ$\chi_\gamma \sim 1$であり、これはブライト＝ウーレン機構による効率的対生成に有利である。
• 新しく生成された粒子が放射を放出し、さらなる対を生成するという対カスケードが観測され、高密度の対プラズマが形成された。
• 平均光子エネルギーが対生成閾値未満（$\chi_\gamma < 10^{-1}$）に低下すると、対生成率は安定化し、放射損失が支配的な冷却機構となる。
• 量子的領域におけるQEDプロセスの確率的性質が、電子エネルギー分布を広げることを示した。一方、半古典的領域における古典的放射減衰は、エネルギー分布を狭める傾向を示した。