[論文レビュー] Probing semi-macroscopic vacua by high fields of lasers

Kensuke Homma, Dieter Habs+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2010

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、10 J程度のレーザーエネルギーを用いることで、半マクロスケールの真空中での非線形量子電磁力学(QED)効果を強力なレーザー場でプローブすることを提案している。位相感受性フーリエイメージングと共進路型二次高調波生成を活用し、Euler-Heisenbergの非線形性および光質量場を検出する。これにより、衝突型加速器や宇宙論的スケールを越えた真空中の物理学の新しい領域が開かれる。

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.

研究の動機と目的

• 高エネルギー衝突実験と宇宙論的観測の間のギャップを埋める、半マクロスケールの真空中での非線形光子相互作用を探索すること。
• Euler-Heisenberg効果を含む真空中の非線形性の極めて微弱さを克服するため、高強度レーザーを用いて検出可能な信号を増幅すること。
• 長距離共進路レーザー配置を用いた共鳴励起により、仮説的な光質量場（eVからsub-neV）を高感度で検出可能にする。
• 真空中の非線形光学におけるピエドモンスノイズを回避し、信号対雑音比を向上させる実験的手法を開発すること。
• 弱い結合、光質量の力場粒子のパラメータ空間へ、高場科学の到達域を拡張し、ダークエネルギーおよび真空中構造に関連する可能性を示すこと。

提案手法

• ピエドモンスノイズを抑制しながら、非線形真空中応答を検出可能な位相感受性フーリエイメージングを、コherentレーザー場を用いて実施する。
• 長距離相互作用長を有する共進路幾何学における二次高調波生成を活用し、真空中の非線形性に対する感度を向上させる。
• 可変な交差角とビート波長を用いた共鳴構成を設計し、中間的場の特定エネルギー範囲にチューニングする。
• 1 kJ/フェムト秒パルスを超える高パワー・レーザーを用いて、スウィンガー・スケール（約10^16 V/cm）に近い電磁場を生成し、観測可能なQED効果を実現する。
• Euler-Heisenbergラグランジアンを真空中の非線形性の理論的枠組みとし、強場領域における非線形応答を計算する。
• マイクロスケールの長大な相互作用路を用いて微弱な非線形信号を増幅する。これは、素粒子衝突装置におけるフェムトメータースケールの相互作用とは対照的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Euler-Heisenbergラグランジアンで記述される、真空中の非線形量子電磁力学(QED)効果は、半マクロスケールで強力なレーザー場を用いて検出可能か？
• RQ2 高強度レーザー実験におけるピエドモンスノイズは、どのようにして抑制され、極めて微弱な真空中の非線形信号の検出を可能にするか？
• RQ3 長距離共進路レーザービームを用いた共鳴増幅は、高感度で仮説的な光質量場（eVからsub-neV）をプローブ可能か？
• RQ4 位相コントラストフーリエイメージングを用いた場合、Euler-Heisenberg非線形性を検出可能にするために必要な最小のレーザーエネルギーはどれくらいか？
• RQ5 高強度レーザーは、電子質量スケールからsub-neVエネルギーまで広範な力のスケールをカバーする真空中構造をどの程度まで探査可能か？

主な発見

• 位相コントラストフーリエイメージングにより、10 J程度のレーザーエネルギーでEuler-Heisenberg非線形性を真空中で検出可能であり、従来の提案と比較して必要な強度を顕著に低減できる。
• 共進路型構成における二次高調波生成により、eVから10^-10 eVのエネルギー領域にわたる真空中の非線形性を広域にスキャン可能であり、共鳴チューニングに依存する。
• 可変なビーム幾何学とビート波長を用いた共鳴増幅により感度が向上し、仮説的な光質量場の特定エネルギースケールへの的確なプローブが可能になる。
• 本手法により、高エネルギー衝突装置（fmスケール）と宇宙論的観測（大スケール）の間でこれまで未到達であったパラメータ空間をカバーする、真空中物理学の新しい実験的窓が開かれる。
• 理論的解析により、高強度レーザーとノイズ抑制イメージング技術の組み合わせが、従来検出不能とされていたQED効果を実験室で観測可能にすることが確認された。
• 提案手法により、ダークエネルギーとの関連や低エネルギースケールにおける量子重力効果を含む、真空中構造の根本的側面を検証する実現可能な道筋が提供される。