[論文レビュー] The new microscopic Vavilov-Cherenkov radiation theory

S. G. Chefranov|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2012

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、アーベルラの電磁力学から導かれる力密度 F_A = 0.5∇×(P×E) によるパラメトリック共鳴によって駆動される、Vavilov-Cherenkov放射（VCR）の新しい微視的理論を提案する。ここで P は高速な荷電粒子によって誘起される媒質の極化を表す。この理論は、従来のマクロスコピック理論や量子理論よりも実験的観察と整合性の高い、新たな閾値条件 |v| > c/n_*（n_* > n > 1）を導入する。

ABSTRACT

It is proposed the new microscopic theory of Vavilov-Cherenkov radiation (VCR), emitted directly by medium in non-equilibrium state, arising due to the interaction of medium with a sufficiently fast charged particle. Contrary to the macroscopic VCR theory of Tamm-Frank and quantum VCR theory of Ginzburg, we establish the new VCR parametric resonance mechanism and the new threshold of VCR effect, which is better corresponding to the VCR observations. We show that counting of the, known from Abraham's electrodynamics, force density F_A=0.5rot[PE] (P is the polarization vector of the medium in locally non-equilibrium anisotropic state, arising due to the non-stationary electric field E of particle, moving with the constant speed v) defines the possibility of parametric resonance excitation of the transversal to E polarization waves P. We get that the condition of exponential growth with time of the amplitude of the wave P, providing the realization of VCR effect, is |v|>v_th=c/n_*, where c is the light speed in vacuum, (n_*)>n>1, and n_* is the refraction index of the isotropic medium in the equilibrium state.

研究の動機と目的

• 既存のマクロスコピック理論や量子理論よりも実験的観察をよりよく説明できるVavilov-Cherenkov放射の微視的理論を開発すること。
• 高速な荷電粒子によって誘起される非平衡・異方性媒質におけるVCRの物理的メカニズムを特定すること。
• 媒質の局所的非平衡状態における応答を考慮したVCRの新しい閾値条件を導出すること。
• アーベルラの力密度 F_A = 0.5∇×(P×E) が横方向極化波のパラメトリック共鳴を可能にする役割を確立すること。
• 非平衡極化ダイナミクスを組み込むことで、理論的予測と観測されたVCR現象を一致させること。

提案手法

• アーベルラの電磁力学から、局所的非平衡な異方性媒質における極化ベクトル P の力密度 F_A = 0.5∇×(P×E) を導出する。
• 一定速度 v で移動する高速荷電粒子が媒質と相互作用し、非定常な電場 E と極化 P を誘起することを分析する。
• 移動する粒子の時間変化する E 場によって駆動される横方向極化波 P のパラメトリック共鳴メカニズムを同定する。
• P 波の振幅が指数関数的に増大する条件を適用し、VCR発生の閾値を特定する。
• 平衡状態における媒質の屈折率 n_* を用いて、新しい閾値 v_th = c/n_* を定義する。
• 新しい閾値を古典的Tamm-Frank理論および量子Ginzburg理論と比較し、観測結果との整合性が向上することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速な荷電粒子によって誘起される非平衡媒質におけるVavilov-Cherenkov放射の微視的メカニズムは何か？
• RQ2 アーベルラの力密度 F_A = 0.5∇×(P×E) は、媒質内での極化波の励起にどのように寄与するか？
• RQ3 実験的観察と一致する正しいVCRの閾値条件は何か？
• RQ4 なぜマクロスコピック理論および量子理論は、観測されたVCR現象を完全に説明できないのか？
• RQ5 平衡状態における屈折率 n_* がVCR閾値にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 新しい理論は、高速荷電粒子の時間変化する電場によって駆動されるパラメトリック共鳴メカニズムをVCRに同定する。
• VCRの閾値は |v| > c/n_* で与えられ、ここで n_* は媒質の平衡状態における屈折率である。
• v_th = c/n_* の条件は、古典的Tamm-Frank理論や量子Ginzburg理論の閾値よりも実験的観察とより整合性が良いことが判明した。
• 力密度 F_A = 0.5∇×(P×E) が横方向極化波 P の励起に不可欠であり、その振幅の指数関数的増大を可能にすることが示された。
• 理論は、マクロスコピック的または量子場の近似に依存せず、媒質内での非平衡極化ダイナミクスの直接的結果としてVCRを説明する。
• 屈折率 n_* > n > 1 により、新しい閾値は古典的位相速度閾値よりも高くなり、観測されたVCR発生とより整合性が高くなる。