[论文解读] Evolution of Relativistic Pair Beams: Implications for Laboratory and TeV Astrophysics

Marvin Beck, Oindrila Ghosh+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文通过福克-普朗克建模和粒子-网格（PIC）模拟，研究了相对论性电子-正电子对束流在电浆中的演化，表明电浆不稳定性驱动动量空间扩散和束流展宽。关键结果为：尽管在天体物理TeV耀变体束流中，不稳定性引起的能量损失可忽略不计，但由扩散引起的束流角展宽可能模拟磁偏转效应，尽管其影响仍小于预期的磁偏转效应。

ABSTRACT

Missing cascades from TeV blazar beams indicate that collective plasma effects may play a significant role in their energy loss. It is possible to mimic the evolution of such highly energetic pair beams in laboratory experiments using modern accelerators. The fate of the beam is governed by two different processes, energy loss through the unstable mode and energetic broadening of the pair beam through diffusion in momentum space. We chalk out this evolution using a Fokker-Planck approach in which the drift and the diffusion terms respectively describe these phenomena in a compact form. We present particle-in-cell simulations to trace the complete evolution of the unstable beam-plasma system for a generic narrow Gaussian pair beam for which the growth rate is reactive. We show that the instability leads to an energetic broadening of the pair beam, slowing down the instability growth in the linear phase, in line with the analytical and numerical solutions of the Fokker-Planck equation. Whereas in a laboratory experiment the change in the momentum distribution is an easily measured observable as a feedback of the instability, the consequence of diffusive broadening in an astrophysical scenario can be translated to an increase in the opening angle of the pair beam.

研究动机与目标

• 理解集体电浆效应在TeV耀变体相对论性电子-正电子对束流能量损失和演化中的作用。
• 采用福克-普朗克方法对束流-电浆系统进行建模，以捕捉线性增长和扩散弛豫两个阶段。
• 利用PIC方法模拟窄高斯对束流的完整演化过程，重点关注不稳定性驱动的动量扩散。
• 比较实验室尺度束流行为与天体物理条件下的差异，特别是在束流展宽和能量损失方面的表现。
• 评估电浆不稳定性是否能显著改变TeV天体物理源中的次级伽马射线通量或束流角分布。

提出的方法

• 采用福克-普朗克形式化方法，其中漂移项和扩散项分别代表线性不稳定性增长和动量空间扩散。
• 粒子-网格（PIC）模拟对相对论性、电中性的对束流在冷电浆背景中的完整非线性演化进行建模。
• 模拟追踪束流演化经历的三个阶段：线性增长、扩散弛豫，以及通过朗道阻尼实现的非线性饱和。
• 不稳定性增长率通过线性微扰理论推导得出，发现在无磁场条件下，倾斜电场模式占主导地位。
• 通过动量分布演化量化束流展宽，并将饱和水平按天体物理参数进行归一化。
• 通过将束流密度比α和洛伦兹因子γ缩放至耀变体相关值，将结果外推至天体物理条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 电浆不稳定性如何影响电浆环境中相对论性对束流的能量损失和动量分布？
• RQ2 在天体物理情景中，由不稳定模式驱动的动量空间扩散在多大程度上改变了束流的角展宽？
• RQ3 福克-普朗克框架能否准确描述对束流-电浆系统中从线性增长到扩散弛豫的转变过程？
• RQ4 在TeV耀变体对束流中，电浆不稳定性与逆康普顿散射对总能量损失的相对贡献如何？
• RQ5 实验室尺度束流参数如何缩放至天体物理条件？这对可观测束流展宽有何影响？

主要发现

• 福克-普朗克方法成功捕捉了不稳定模式的指数增长以及随后在动量空间中的扩散展宽。
• PIC模拟证实，在天体物理情景中，通过不稳定性导致的束流能量损失可忽略不计，且在显著能量耗散前即已达到饱和。
• 动量扩散导致束流发散角增大，饱和后随时间√t增长，但该展宽仍小于预期的磁偏转效应。
• 束流展宽的饱和水平与束流密度比α和洛伦兹因子γ成比例，证实其源于不稳定性驱动的扩散过程。
• 束流动量分布中的非均匀性和初始关联可能抑制不稳定性增长并延迟弛豫，提示其演化过程比理想化模型更复杂。
• 天体物理束流中持续注入更冷的新对粒子可能延长线性增长阶段，从而可能增强孤立束流模拟中所见的不稳定性效应。