[논문 리뷰] Electron Positron Pair Production in Strong Electric Fields

Alexander Blinne|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 07.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 강한, 공간적으로 균일한 전기장과 자기장에서의 전자-양전자 쌍 생성을 고급 수치 방법을 사용하여 조사한다. 디랙-하이젠베르크-위그너 형식에서 유도된 새로운 위그너 방법과 함께, 자전하는 사우터 펄스를 위한 보완적인 양자역학적 방법을 도입하여 전체 매개변수 공간을 커버하고, 반대 방향으로 편광된 레이저 실험의 쌍 생성 확률과 스펙트럼을 정확하게 예측할 수 있게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 전기장에서의 전자-양전자 쌍 생성을 이해하기 위해, 특히 펄스형이고 자전하는 구형 펄스 구성을 대상으로 한다.
• 자기장과 비틀림이 있는 편광을 포함한 복잡한 필드 역학을 다룰 수 있는 수치적 방법을 개발하고 검증한다.
• 실제 레이저 기반 실험 설정을 위한 쌍 생성 스펙트럼과 생성률을 계산하고 해석한다.
• 이중주기 및 타원 편광 펄스에서의 역학적 보조 슈윙거 효과를 탐색한다.
• 미래의 고강도 레이저 실험에서 진공 쌍 생성을 포함하는 종합적인 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 디랙-하이젠베르크-위그너(DHW) 형식에서 유도된 수정된 양자역학적 방정식을 도출하여, 일반적인 필드 구성에 대한 위그너 방법의 기초를 마련한다.
• 전기장과 자기장에 적용 가능한 일반적인 접근 방식을 사용하여 위그너 방정식을 수치적으로 해결함으로써, 타원형, 주파수 변조형, 이중주기 펄스의 연구가 가능해진다.
• 자전하는 사우터 펄스에서 디랙 방정식을 푸는 데 기반한 완전히 독립적인 양자역학적 방법을 개발하였으며, 운동량 공간 적분을 통해 쌍 스펙트럼을 계산한다.
• 자전하는 사우터 펄스의 전체 매개변수 범위에서 위그너 방법과 양자역학적 방법을 철저히 비교하여 결과의 타당성을 검증하고, 전체 범위의 커버리지가 이루어지도록 한다.
• 운동량 공간과 스핀 공간에서의 전체 행렬 구조를 고려하여, 자기장을 포함한 수정된 운동 방정식을 유도하고 이를 해결함으로써 위그너 방법을 자기장 포함로 확장한다.
• 펄스 지속시간, 강도, 주파수 등에 대한 매개변수 스캔을 수행하여 총 입자 수확과 스펙트럼 특징을 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자전하는 사우터 펄스는 정적 또는 선형 편광 필드와 비교해 전자-양전자 쌍 생성률과 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 위그너 방법과 양자역학적 방법은 자전하는 사우터 펄스에서의 쌍 생성 예측에 얼마나 일치하는가? 상호보완적인 관계는 어떻게 형성되는가?
• RQ3 이중주기 자전하는 사우터 펄스에서 역학적 보조 슈윙거 효과의 특징은 무엇인가?
• RQ4 타원형 또는 주파수 변조된 편광은 운동량 스펙트럼과 총 수확에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 강한 전기장 하에서 자기모멘트는 쌍 생성 역학에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 자전하는 사우터 펄스의 전체 매개변수 범위에서 위그너 방법과 양자역학적 방법이 뛰어난 일치를 보이며, 두 접근 방식이 모두 검증되고 신뢰할 수 있는 예측이 가능해졌다.
• 자전하는 사우터 펄스에서의 총 입자 수확은 펄스 지속시간과 강도에 비단조화적인 의존성을 보이며, 임계 펄스 너비 근처에서 최적의 생성이 이루어진다.
• 자전하는 사우터 펄스에서의 쌍 생성 스펙트럼은 명확한 최대값을 가지는 특별한 운동량 분포를 보이며, 자전 필드에 의해 유도된 간섭 현상에 기인한 일관된 생성 메커니즘을 시사한다.
• 이중주기 자전하는 사우터 펄스에서는 뚜렷한 역학적 보조 슈윙거 효과가 관찰되며, 단일 주파수 펄스에 비해 쌍 생성률이 크게 향상된다.
• 타원 편광 펄스는 비대칭적인 운동량 스펙트럼을 유도하며, 타원도의 정도가 스펙트럼 형태와 총 수확에 직접적인 영향을 미친다.
• 확장된 위그너 형식을 통한 자기장 포함 분석은 생성된 쌍에서 비틀림 있는 스핀과 운동량 상관관계를 드러내며, 향후 실험에서 측정 가능한 효과가 있음을 시사한다.