[论文解读] Electron Positron Pair Production in Strong Electric Fields

Alexander Blinne|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 2被引用 3

一句话总结

本论文通过先进的数值方法，研究了在强、空间均匀的电场和磁场中电子-正电子对的产生。提出了一种源自狄拉克-海森伯-维格纳形式的新型Wigner方法，以及一种针对旋转Sauter脉冲的互补半经典方法，实现了参数空间的完整覆盖，并能准确预测对向圆极化激光实验中的对产生率和能谱。

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.

研究动机与目标

• 理解强电场中电子-正电子对的产生，特别是脉冲、旋转配置下的情况。
• 开发并验证能够处理复杂场动力学（包括磁场和非平凡极化）的数值方法。
• 计算并解释真实激光实验装置中对产生谱和产生率。
• 探索双色和椭圆极化脉冲中的动态辅助Schwinger效应。
• 为未来涉及真空对产生的高功率激光实验提供全面的规划框架。

提出的方法

• 从狄拉克-海森伯-维格纳（DHW）形式出发，推导出修正的量子输运方程，构成适用于一般场构型的Wigner方法基础。
• 采用通用方法数值求解Wigner方程，适用于电场和磁场，从而能够研究椭圆、啁啾和双色脉冲。
• 基于在旋转Sauter脉冲中求解狄拉克方程，发展了一种完全独立的半经典方法，通过动量空间积分获得对谱。
• 对Wigner方法与半经典方法进行详尽比较，以验证结果并确保在旋转Sauter脉冲全参数范围内的覆盖。
• 通过在动量空间和自旋空间中保留完整矩阵结构，推导并求解包含磁场的修正运动方程，将Wigner方法扩展至磁场情形。
• 在脉冲持续时间、强度和频率范围内进行参数扫描，以绘制总粒子产额和谱特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 与静态或线性极化场相比，旋转Sauter脉冲如何影响电子-正电子对的产生率和谱？
• RQ2 Wigner方法与半经典方法在预测旋转Sauter脉冲中对产生时的一致性程度如何？二者如何互补？
• RQ3 在双色旋转Sauter脉冲中，动态辅助Schwinger效应的哪些特征会显现？
• RQ4 椭圆或啁啾极化如何影响动量谱和产生的总对数？
• RQ5 在强电场下，磁矩在对产生动力学中起何种作用？

主要发现

• Wigner方法与半经典方法在旋转Sauter脉冲的全参数范围内表现出极佳的一致性，验证了两种方法的有效性，并实现了可靠预测。
• 旋转Sauter脉冲中的总粒子产额对脉冲持续时间和强度表现出非单调依赖关系，最优产生率出现在某一临界脉冲宽度附近。
• 旋转Sauter脉冲中的对产生谱显示出明显的动量分布，具有清晰的极大值，表明由旋转场驱动的相干产生机制。
• 在双色旋转Sauter脉冲中，观察到显著的动态辅助Schwinger效应，与单频脉冲相比，对产生率显著增强。
• 椭圆极化脉冲导致动量谱不对称，椭圆度的大小直接影响谱形和总产额。
• 通过扩展的Wigner形式引入磁场后，揭示了产生的对中自旋与动量之间存在非平凡关联，提示未来实验中可测量到相关效应。