[논문 리뷰] Probing semi-macroscopic vacua by high fields of lasers

Kensuke Homma, Dieter Habs외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 23.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고강도 레이저장을 사용하여 반도체적 스케일에서 진공 내 비선형 양자전자역학(QED) 효과를 탐지하는 방법을 제안한다. 단서는 단위상 민감성 푸리에 영상 및 공진행성 제2차 고조파 발생을 활용하여 에이러-헤이젠베르크 비선형성과 빛의 질량을 가진 필드를 탐지한다. 레이저 에너지가 약 10 J 수준일 경우 이러한 효과들이 감지 가능해지며, 이는 충돌기 및 천체물리적 스케일을 초월한 진공 물리의 새로운 영역을 열어준다.

ABSTRACT

The invention of laser immediately enabled us to detect nonlinearities of photon interaction in matter, as manifested for example by Franken et al.'s detection of second harmonic generation and the excitation of the Brillouin forward scattering process. With the recent advancement in high power high energy laser and the examples of the nonlinearity study of laser-matter interaction by virtue of properly arranging laser and detectors, we envision the possibility of probing nonlinearities of photon interaction in vacuum over substantial spacetime scales compared with the microscopic scale provided by high energy accelerators. The hithertofore never detected Euler-Heisenberg nonlinearities in quantum electrodynamics (QED) in vacuum should come within our reach of detection using intense laser fields. Also our method should put us in a position with a far greater sensitivity of probing possible light-mass fields that have been postulated. With the availability of a large number of coherent photons our suggested measurement methods include the phase sensitive (contrast) imaging that avoids the pedestal noise and the scheme of second harmonic detection of photon nonlinearities in vacuum over a long co-propagating distance incurring resonance excitation. These methods carve out a substantial swath of new experimental parameter regimes of the exploration of photon nonlinearities in vacuum covering the force range from the electron mass scale to below neV.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 충돌 실험과 천체관측 사이의 갭을 메우기 위해 반도체적 스케일에서 진공 내 비선형 광자 상호작용을 탐색한다.
• 특히 에이러-헤이젠베르크 효과와 같은 매우 약한 진공 비선형성의 문제를 해결하기 위해 고강도 레이저를 사용하여 감지 가능한 신호를 증폭한다.
• 장기간 공진행성 레이저 구조에서 공진 조건을 이용해 가상의 빛의 질량 필드(1 eV에서 sub-neV 범위)를 고감도로 탐지할 수 있도록 한다.
• 진공 비선형 광학에서 기저 잡음과 신호 대 잡음비를 향상시키기 위한 실험 기법을 개발한다.
• 약한 결합, 빛의 질량을 가진 힘의 매개입자에 대한 고장력 과학의 영역을 확장하며, 암흑 에너지 및 진공의 구조와 관련된 가능성을 탐색한다.

제안 방법

• 기저 잡음을 억제하면서 비선형 진공 반응을 감지하기 위해 공명 레이저장과 함께 단서 민감성 푸리에 영상 기법을 사용한다.
• 장기간 상호작용 길이에서 비선형 진공 반응에 대한 감도를 향상시키기 위해 공진행성 기하학에서 제2차 고조파 발생을 활용한다.
• 변경 가능한 교차 각도와 비트 파장을 사용하여 중간 필드의 특정 에너지 범위에 맞추기 위해 공진 구성을 설계한다.
• 스윙거 스케일(~10^16 V/cm)에 가까운 전자기장을 생성하기 위해 1 kJ/파uls 이상의 고출력 레이저를 사용하여 관측 가능한 QED 효과를 유도한다.
• 비선형 반응을 강한 필드 영역에서 계산하기 위해 에이러-헤이젠베르크 라그랑지안을 이론적 프레임워크로 사용한다.
• 약한 비선형 신호를 증폭하기 위해 마이크로미터 스케일의 장기간 상호작용 경로를 사용하며, 이는 입자 충돌기에서의 펌토미터 스케일 상호작용과 대비된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에이러-헤이젠베르크 라그랑지안으로 기술되는 진공 내 비선형 양자전자역학(QED) 효과, 예를 들어 에이러-헤이젠베르크 비선형성은 고강도 레이저장을 사용하여 반도체적 스케일에서 감지될 수 있는가?
• RQ2 고강도 레이저 실험에서 기저 잡음을 어떻게 억제하여 매우 약한 진공 비선형 신호를 감지할 수 있는가?
• RQ3 장기간 공진행성 레이저 빔을 통해 공진 증폭을 활용하면, eV에서 sub-neV 범위의 가상의 빛의 질량 필드를 고감도로 탐지할 수 있는가?
• RQ4 단서 대비 푸리에 영상 기법을 사용할 때, 에이러-헤이젠베르크 비선형성을 감지하기 위해 필요한 최소 레이저 에너지는 얼마인가?
• RQ5 고강도 레이저는 어떤 정도의 힘의 범위(전자 질량 스케일에서 sub-neV 에너지까지)를 통해 진공의 구조를 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 단서 대비 푸리에 영상 기법을 통해 약 10 J의 레이저 에너지로도 에이러-헤이젠베르크 비선형성을 진공에서 감지할 수 있으며, 이는 이전의 제안 대비 요구되는 강도를 크게 감소시킨다.
• 공진행성 구조에서의 제2차 고조파 발생은 eV에서 10^-10 eV까지의 에너지 영역에서 진공 비선형성을 넓은 영역으로 조사할 수 있도록 한다. 이는 공진 조정에 따라 달라진다.
• 조절 가능한 빔 기하학과 비트 파장을 활용한 공진 증폭은 감도를 향상시키며, 특정 에너지 척도의 가상의 빛의 질량 필드를 타겟으로 탐지할 수 있도록 한다.
• 이 방법은 이전에 탐색되지 않은 고에너지 충돌기(fm 스케일)와 천체물리적 관측(대규모 스케일) 사이의 매개 영역을 커버하는 진공 물리의 새로운 실험 창을 열어준다.
• 이론적 분석은 고강도 레이저와 잡음 억제 영상 기법의 조합이 이전에는 감지 불가능했던 QED 효과를 실험실에서 관측 가능하게 한다는 것을 확인한다.
• 제안된 접근법은 암흑 에너지 및 저에너지 스케일에서의 양자중력 효과와의 잠재적 연관성을 포함해 진공의 구조에 대한 근본적인 측면을 시험할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.