Исследование нелинейных свойств вакуума в поле мощных фемтосекундных импульсов Международная Школа по теоретической физике им. В.М. Галицкого Н.Б. Нарожный Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ» пансионат «Юность» сентября 2010 года

КЭД является существенно нелинейной теорией в присутствии сильного электромагнитного поля Осуществлено только 2 эксперимента по наблюдению нелинейных КЭД эффектов (SLAC , 1997) В настоящее время строятся (или планируются) несколько установок для получения сверхмощных световых полей

Переход от релятивистских к ультрарелятивистским интенсивностям! ПЛАНИРУЕТСЯ: 1. Создание Ti:Sa лазера, генерирующего импульсы длительностью fs с энергией в районе 700 J (50 to 70 PW) 2. Активный фазовый контроль усиленных пучков и использование оптики с большой апертурой, позволит получить интенсивность порядка 3. Комбинация10 одиночных 50 – 70-PW пучков приведет к пиковой мощности 500 – 700 PW и соответствующей интенсивности на мишени порядка (Proposal for an European Extreme Light Infrastructure,

Relativistic Ultra Relativistic Relativistic Compression E Q =m p c 2 Ultra-relativistic intensity is defined with respect to the proton E Q =m p c 2, intensity~10 24 W/cm 2 NL Optics QCD ~10 35 W/cm 2

Нелинейные вакуумные эффекты определяются Лагранжианом Гейзенберга-Эйлера линейные уравнения Максвелла фотоны не взаимодействуют друг с другом нелинейные поправки к уравнениям Максвелла фотоны взаимодействуют!

Считается, что нелинейные вакуумные эффекты рождение пар э-м полем из вакуума генерация гармоник в вакууме двойное лучепреломление в вакуме ……… можно наблюдать, если -- комптоновская длина

источник сильного поля - лазер соответствующая интенсивность Главный вопрос: можно ли будет наблюдать нелинейные вакуумные эффекты с ELI?

Как аналитически описывается поле лазерного импульса? 1.Плоская монохроматическая волна а) существует точное решение квантовых уравнений (Дирака, Клейна-Фока-Гордона) b) легко вычисляются вероятности КЭД процессов В.Б.Берестецкий, Е.М.Лифшиц, Л.П.Питаевский, Квантовая электродинамика В.И.Ритус, А.И.Никишов, Труды ФИАН, т.111, Модель фокусированного электромагнитного импульса а) должны правильно отражаться свойства реального лазерного импульса (д.б. решением ур-й Максвелла в пустоте) b) не существует точных решений квантовых уравнений Мы используем модель, развитую в Н.Б.Нарожный, М.В.Фофанов, ЖЭТФ, 117, 867 (2000)

Аналитическая модель для фокусированного лазерного импульса М.С.Фофанов, ЖЭТФ, 90, 753 (2000) Н.Б.Нарожный, М.С.Фофанов, ЖЭТФ, 90, 753 (2000) Это монохроматическая циркулярно поляризованная (но не плоская) волна, распространяющаяся вдоль оси z

Функции удовлетворяют уравнениям

Одно из решений: Гауссов пучок

z -радиус фокального пятна - дифракционная, или рэлеевская, длина

Векторы и имеют продольные компоненты ! Существуют два типа волн: a. e-поляризованная (ТЕ) b. h-поляризованная (ТМ) Всякую фокусированную волну всегда можно представить как: - произвольный параметр

Короткий фокусированный лазерный импульс - длительность импульса предполагается: Это приближенное решение уравнений Максвелла с точностью до членов

Параметры электромагнитного поля лазерного импульса Если это поле лазерного импульса, инварианты и содержат параметры - длительность импульса, -- радиус фокального пятна (или ) Можно использовать другие инварианты Физ. смысл: в системе отсчета, где

Если в поле есть частица, то ее взаимодействие с полем определяется динамическим параметром Физ. смысл: - напряженность поля в с.с. частицы Лазер для геометрии столкновения в Л-системе:

k - скорость электрона Для ультрарелятиистской частицы, или : - квантовый параметр - излучение электрона описывается классично - траектории нет, отдача в акте излучения очень велика

Вероятность какого либо процесса, инициированного частицей во внешнем поле если частица ультрарелятивистская т.е. процесс протекает как в поле плоской волны

Для поля плоской монохроматической волны существует еще один лоренц- и калибровочно инвариантный параметр (например, ) Калибровочное преобразование

Длина формирования процесса Поле выглядит как постоянное скрещенное

Нет частиц (вакуум) Плоская волна Поляризации вакуума нет Необходимо использовать модель фокусированного импульса

Нелинейное комптоновское рассеяние (эксперимент) C.Bula, et al., PRL, 76, 3116 (1996) C.Bamber, et al., PRD, 60, (1999) schematic drawing of the experiment IP1 – interaction point, ECAL – silicon-tungsten calorimeter CCM1 – gas Čerenkov monitor Final Focus Test Beam at SLAC Laser: λ=1.054μm (infrared) and λ=0.527μm (green) The laser intensity could be varied, the maximum focused intensity The maximum values of :

Рождение пар в процессе рассеяния света на свете (эксперимент) D.L.Burke, et al., PRL, 79, 1626 (1997) C.Bamber, et al., PRD, 60, (1999) Pair production: two-step process

Первая демонстрация эффекта неупругого рассеяния света на свете!

ВАКУУМНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Вероятность перехода вакуум-вакуум J. Schwinger (1951)

Лазерный импульс: - радиус фокального пятна - длительность импульса

при

Среднее число пар в ед. объема и ед. времени Если поле не постоянное и не однородное, но и - характерные размеры пространственной и временной неоднородностей поля - локальные значения инвариантов поля

Длина формирования процесса рождения пары в постоянном поле A.I.Nikishov, 1969 длина длина и время формирования Масштаб пространственной неоднородности поля лазерного импульса, или Можно использовать формулы для постоянного поля, если

(фокальная плоскость, t=0) Одиночный фокусированный импульс ТЕ ТН

Рождение пар одиночным лазерным импульсом N.B. Narozhny, S.S. Bulanov, V.S. Popov, V.D. Mur, PLA 330, 1 (2004) A.M. Fedotov, Las. Phys., 19, 214 (2009) Δ=0.1 Δ=0.05Δ=0.1 4· · · · · · · · · · · · · ·10 9 !!

Compare the total energy of produced pairs with the energy of the laser pulse COLLAPSE OF THE LASER PULSE HENCE PAIR CREATION IMPOSES LIMITATION ON ATTAINABLE LASER INTENSITY Number of pairs is growing very fast after the threshold value of intensity

Лобовое столкновение двух лазерных импульсов

Рождение пар двумя сталкивающимися импульсами Δ=0.1 Δ=0.05Δ= · · · · · · · · · · · · · · · · ·10 7 !! S.S. Bulanov, N.B. Narozhny, V.S. Popov, V.D. Mur, ZhETF 129, 14 (2006) Эффект можно наблюдать при

Numerical computations (2006) – counterpropagating focused pulses ( 0.1) S.S. Bulanov, N.B. Narozhny, V.S. Popov, V.D. Mur, ZhETF 129, 14 (2006) Effect can be observed already at Can be amplified even further by multi-beam technology!

Эффект можно усилить, если использовать многопучковую технологию

n=24 S. S. Bulanov, V.D. Mur, N.B. Narozhny, et.al., PRL 104, (2010)

Множественное столкновение импульсов

2 импульса 24 импульса

Число рожденных пар N e+e - и пороговая энергия W th для различного числа n сталкивающихся импульсов. S. S. Bulanov, V.D. Mur, N.B. Narozhny, et al., PRL, 104,220404(2010)

Электромагнитный каскад индуцированный рожденной парой

Эффект наблюдался в эксперименте на SLAC D.L.Burke, et al., PRL, 79, 1626 (1997) Laser: Энергии частиц: Laser

Число шагов каскада/ выстрел лазера Отличное согласие с экспериментом!

Рождение пар двумя сталкивающимися импульсами ( 1 pair/shot) Локально постоянное скрещенное поле Лазер: Динамика определяется параметром

Частицы первой пары покоятся после излучают фотоны, вторичных частиц

Заряженные частицы выталкиваются из импульса за счет пондеромоторного эффекта за время Полное чило рожденных частиц BANG !!!

Электромагнитный взрыв разрушает лазерный импульс !

Toy model – uniformly rotating electric field x y E(t) p(t) ωtωt ω t/2

a 0 E/E S

Mean free path duration (lifetime):

Escape time:

Hierarchy of time scales: is the necessary conditions for occurrence of electromagnetic cascade E=E * - threshold for cascade formation

Нильс Бор был прав: НЕВОЗМОЖНО СОЗДАТЬ ПОЛЕ, РОЖДАЮЩЕЕ ПАРЫ С НАПРЯЖЕННОСТЬЮ !

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!