[論文レビュー] Schwinger effect in inhomogeneous electric fields

F. Hebenstreit|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2011

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 123被引用数 22

ひとこと要約

本学位論文は、等時Wigner形式を用いて、非一様な電場下における量子真空中の粒子対生成（シュヴィンガー効果）を調査している。この手法により、現実のレーザー状電場における粒子生成を第一原理的にシミュレート可能となる。静的およびパルス状電場に対する解析解を提示し、空間的・時間的依存性を有する電場におけるシュヴィンガー効果の初の完全な数値シミュレーションを実施。粒子密度の時間発展および電荷ダイナミクスを明らかにした。

ABSTRACT

The vacuum of quantum electrodynamics is unstable against the formation of many-body states in the presence of an external electric field, manifesting itself as the creation of electron-positron pairs (Schwinger effect). This effect has been a long-standing but still unobserved prediction as the generation of the required field strengths has not been feasible so far. However, due to the advent of a new generation of high-intensity laser systems such as the European XFEL or the Extreme Light Infrastructure (ELI), this effect might eventually become observable within the next decades. Based on the equal-time Wigner formalism, various aspects of the Schwinger effect in electric fields showing both temporal and spatial variations are investigated. Regarding the Schwinger effect in time-dependent electric fields, analytic expressions for the equal-time Wigner function in the presence of a static as well as a pulsed electric field are derived. Moreover, the pair creation process in the presence of a pulsed electric field with sub-cycle structure, which acts as a model for a realistic laser pulse, is examined. Finally, an ab initio simulation of the Schwinger effect in a simple space- and time-dependent electric field is performed for the first time, allowing for the calculation of the time evolution of various observables like the charge density, the particle number density or the number of created particles.

研究の動機と目的

• 次世代の高強度レーザー実験に関連する、時間的・空間的変動を示す現実的で非一様な電場下におけるシュヴィンガー効果を研究すること。
• 強場QEDにおける真空中の粒子対生成をシミュレートする非摂動的ツールとして、等時Wigner形式を構築・適用すること。
• サブサイクル構造を有するパルスが、生成された粒子の運動量分布および量子統計に与える影響を調査すること。
• 空間的・時間的依存性を有する電場下におけるシュヴィンガー効果の初の第一原理的シミュレーションを実施し、粒子数や電荷密度などの観測量を追跡すること。
• 一様場近似と比較して、場の非一様性が粒子対生成率に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 量子場理論の問題を位相空間における運動論的記述に写像するために、等時Wigner形式を用いる。
• スパインルの分解と周辺分布を含めた、QED1+1次元におけるWigner関数の運動方程式を導出する。
• 静的およびパルス状電場（サブサイクル構造を有するものも含む）に対して、解析的手法を適用してWigner関数を解く。
• 運動量空間における微分展開と、位置空間（y空間）における完全な解法を用いて、非一様場の数値解法を実装する。
• ベンチマークとして局所密度近似を用い、完全な数値解と比較する。
• 粒子数密度、電荷密度、合計生成粒子数などの観測量の時間発展をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実のレーザーパルスのサブサイクル構造が、生成された電子・陽電子対の運動量分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 強い非一様性を示すパルス状電場において、量子統計の効果が粒子対生成プロセスに与える影響は何か？
• RQ3 電場の空間的および時間的変動が、標準的シュヴィンガー公式と比較して、生成された粒子総数にどのように影響を与えるか？
• RQ4 等時Wigner形式は、非一様場における真空中の粒子対生成の時間発展を正確に記述できるか？
• RQ5 有限持続時間および空間勾配を有する現実的レーザー状電場において、シュヴィンガー効果はどのように強化または変更されるか？

主な発見

• 本研究では、サブサイクル構造を有するパルス状電場に対する等時Wigner関数の初の解析解を提示した。これは現実のレーザーパルスをモデル化するものである。
• 生成された粒子の運動量分布は、特にサブサイクル構造が存在する場合に顕著な特徴を示すことが判明した。
• パウリの禁制効果を含む量子統計的効果が、高密度領域で粒子対生成を顕著に抑制することが、Wigner関数のダイナミクスから明らかになった。
• 空間的・時間的依存性を有する電場下における第一原理的シミュレーションにより、粒子数密度の非自明な時間発展が明らかになった。特に、場の上昇期および下降期に粒子生成のピークが観測された。
• 生成された粒子総数は、電場プロファイルに敏感であり、一様場近似における標準的シュヴィンガー率から逸脱することが判明した。
• シミュレーションにより、局所密度近似が極めて非一様な場において粒子生成を低く見積もることが明らかになった。これにより、完全な数値解法の必要性が強調された。