[论文解读] Using nonlinear Breit-Wheeler to test nonlinear vacuum birefringence

O. Borysov, B. Heinemann+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新颖的间接方法，通过在高能激光-粒子实验中测量极化的非线性Breit-Wheeler对产生过程，来检验非线性真空双折射效应。利用光学定理和Kramers-Kronig关系，对产生率可直接探测光子正向散射振幅的实部，从而以比直接测量光子散射更高的灵敏度提取真空双折射效应。

ABSTRACT

Quantum electrodynamics predicts that the quantum vacuum is birefringent, but due to the very small cross-section this is yet to be confirmed by experiment. Vacuum birefringence arises as the elastic part of photon-photon scattering; the inelastic part is Breit-Wheeler pair-production. We outline how measurements of the photon-polarised nonlinear Breit-Wheeler process can be used to infer a measurement of nonlinear vacuum birefringence. As an example scenario, we calculate the accuracy of such a measurement for parameters anticipated at upcoming laser-particle experiments.

研究动机与目标

• 为克服由于截面小和光子背景高而导致的真空双折射效应检测困难的实验挑战。
• 建立可测量的对产生率与难以捉摸的非线性真空双折射效应之间的联系。
• 为真空双折射实验提供一种实用且高灵敏度的替代方案，以替代直接的X射线偏振测量。
• 利用即将开展的LUXE实验的现实参数验证该方法。

提出的方法

• 应用光学定理，将非线性Breit-Wheeler过程中对产生率与正向散射振幅的虚部联系起来。
• 利用Kramers-Kronig关系（Hilbert变换）从测量的对产生率中提取散射振幅的实部。
• 使用局域恒定场近似和强场参数χ，对聚焦激光脉冲中的非线性Breit-Wheeler过程进行建模。
• 计算作为光子能量份额s函数的微分对产生率，结合金刚石晶体辐射体产生的极化相干轫致辐射。
• 推导出平行和垂直极化构型下产生的对数，以分离不同光子极化态的贡献。
• 利用Ptarmigan和GEANT4代码的LUXE实验模拟数据，对解析模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过测量极化的非线性Breit-Wheeler对产生过程，间接探测非线性真空双折射效应？
• RQ2 对产生率的Hilbert变换与真空折射率及双折射效应有何关系？
• RQ3 在LUXE等真实实验装置中，该方法对真空双折射效应的灵敏度如何？
• RQ4 相干轫致辐射中的极化依赖对产生率如何实现双折射信号的提取？
• RQ5 该方法在多大程度上能够克服直接真空双折射探测中的信噪比挑战？

主要发现

• 该方法可通过非线性Breit-Wheeler对产生率的Hilbert变换，实现对非线性真空双折射效应的间接测量。
• 对于LUXE参数，预测的对产生率与Ptarmigan和GEANT4模拟结果在数量级上一致。
• 相干轫致辐射光子的斯托克斯参数Γ3最高可达0.5，表明极化强度强，从而增强了对双折射效应的探测灵敏度。
• 平行与垂直极化构型下的极化对产生率，可通过极化依赖率的反演，实现双折射信号的提取。
• 在低χ极限下，预测的双折射效应与自旋翻转振幅的已知低χ展开在定量上一致。
• 与直接光子散射测量相比，该方法具有显著优势，因其具有更大的截面，且正电子的探测比光子更容易。