[論文レビュー] Using nonlinear Breit-Wheeler to test nonlinear vacuum birefringence

O. Borysov, B. Heinemann+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、高エネルギーのレーザー・パarticle実験における偏光非線形ブレイト＝ウーレン対生成の測定を用いて、非線形真空中のバイレフリンジンクスを間接的に検証する新規な手法を提案する。光学定理およびクラメルズ＝クロニッヒ関係を用いることで、対生成率はフォワード散乱振幅の実部を直接プローブすることができ、直接的な光子散乱測定と比較して、より高い感度で真空中のバイレフリンジンクス効果を抽出可能である。

ABSTRACT

Quantum electrodynamics predicts that the quantum vacuum is birefringent, but due to the very small cross-section this is yet to be confirmed by experiment. Vacuum birefringence arises as the elastic part of photon-photon scattering; the inelastic part is Breit-Wheeler pair-production. We outline how measurements of the photon-polarised nonlinear Breit-Wheeler process can be used to infer a measurement of nonlinear vacuum birefringence. As an example scenario, we calculate the accuracy of such a measurement for parameters anticipated at upcoming laser-particle experiments.

研究の動機と目的

• 微小な断面積と高い光子背景による弱い真空中バイレフリンジンクスの検出という実験的課題を克服すること。
• 測定可能な対生成率とまだ解明されていない非線形真空中バイレフリンジンクス効果との間にリンクを確立すること。
• 真空中バイレフリンジンクス実験における直接的X線偏光計測の代替手段として、実用的で高感度な手法を提供すること。
• 近い将来のLUXE実験の実際のパラメータを用いて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 光学定理を適用し、非線形ブレイト＝ウーレン過程におけるフォワード散乱振幅の虚部を対生成率に関連付ける。
• クラメルズ＝クロニッヒ関係（ヒルベルト変換）を用いて、測定された対生成率から散乱振幅の実部を抽出する。
• 局所的に定常な場の近似と強場パラメータχを用いて、集光レーザーパルス内での非線形ブレイト＝ウーレン過程をモデル化する。
• 光子エネルギー割合sの関数としての微分的対生成率を計算し、ダイヤモンド結晶放射体からの偏光コherentブレムストラール放出を組み込む。
• 平行および垂直偏光状態における異なる光子偏光状態からの寄与を分離するために、対生成数の式をそれぞれ導出する。
• PtarmiganおよびGEANT4コードを用いたLUXE実験のシミュレーションデータと比較して、解析モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形真空中バイレフリンジンクスは、偏光非線形ブレイト＝ウーレン対生成の測定を通じて間接的にプローブ可能か？
• RQ2 対生成率のヒルベルト変換は、真空中屈折率およびバイレフリンジンクスとどのように関係するか？
• RQ3 LUXEのような現実的な実験設定において、この手法の真空中バイレフリンジンクスに対する感度はどの程度か？
• RQ4 コherentブレムストラール放出における偏光依存対生成率は、バイレフリンジンクス信号の抽出にどのように寄与するか？
• RQ5 直接的真空中バイレフリンジンクス検出における信号対雑音比の課題を、この手法はどの程度克服できるか？

主な発見

• 本手法により、非線形ブレイト＝ウーレン対生成率のヒルベルト変換を通じて、非線形真空中バイレフリンジンクスを間接的に測定可能である。
• LUXEのパラメータを用いた場合、予測された対生成率はPtarmiganおよびGEANT4によるシミュレーション結果と数量的に一致する。
• コherentブレムストラール光子のスティーブスパラメータΓ3は最大0.5に達し、強い偏光を示しており、バイレフリンジンクスに対する感度が向上する。
• 平行および垂直偏光配置における偏光依存対生成率を用いることで、逆問題を解くことによりバイレフリンジンクス信号を抽出可能である。
• 低χ領域において、予測されたバイレフリンジンクスは、ヘリシティ反転振幅の既知の低χ展開と定量的に一致する。
• より大きな断面積と光子と比較して容易に検出可能な陽電子の観測という点で、直接的光子散乱測定と比較して顕著な利点を有する。