Исследование нелинейных свойств вакуума в поле мощных фемтосекундных импульсов

1. Международная Школа по теоретической физике им. В.М. Галицкого пансионат «Юность» 20-26 сентября 2010 года Исследование нелинейных свойств вакуума в поле мощных фемтосекундных импульсов Н.Б. Нарожный Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ»

2. КЭД является существенно нелинейной теорией в присутствии сильного электромагнитного поля Осуществлено только 2 эксперимента по наблюдению нелинейных КЭД эффектов (SLAC -- 1996, 1997) В настоящее время строятся (или планируются) несколько установок для получения сверхмощных световых полей

6. Переход от релятивистских к ультрарелятивистским интенсивностям! ПЛАНИРУЕТСЯ: 1. Создание Ti:Sa лазера, генерирующего импульсы длительностью 10 - 15-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 пучковприведет к пиковой мощности 500 – 700 PW и соответствующей интенсивности на мишени порядка (Proposal for an European Extreme Light Infrastructure, www.extreme-light-infrastructure.eu)

7. Relativistic Compression Relativistic Ultra Relativistic QCD ~1035W/cm2 EQ=mpc2 NL Optics Ultra-relativistic intensity is defined with respect to the proton EQ=mpc2, intensity~1024W/cm2

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

10. 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

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

12. Как аналитически описывается поле лазерного импульса? • 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, 1979 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)

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

14. Функции удовлетворяют уравнениям

15. Одно из решений: Гауссов пучок

16. z • радиус фокального пятна • дифракционная, или рэлеевская, длина

17. Векторыиимеют продольные компоненты ! Существуют два типа волн: • e-поляризованная (ТЕ) • b. h-поляризованная (ТМ) Всякую фокусированную волну всегда можно представить как: - произвольный параметр

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

19. 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

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

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

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

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

24. Длина формирования процесса Поле выглядит как постоянное скрещенное

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

26. Нелинейное комптоновское рассеяние (эксперимент) Final Focus Test Beam at SLAC C.Bula, et al., PRL, 76, 3116 (1996) C.Bamber, et al., PRD, 60, 092004(1999) IP1 – interaction point, ECAL – silicon-tungsten calorimeter CCM1 – gas Čerenkov monitor schematic drawing of the experiment Laser:λ=1.054μm (infrared) and λ=0.527μm (green) The laserintensity could be varied, the maximum focused intensity The maximum values of :

29. Рождение пар в процессе рассеяния света на свете (эксперимент) D.L.Burke, et al., PRL, 79, 1626 (1997) C.Bamber, et al., PRD, 60, 092004(1999) Pair production: two-step process

31. Первая демонстрация эффекта неупругого рассеяния света на свете!

32. ВАКУУМНЫЕ ЭФФЕКТЫ

33. Вероятность перехода вакуум-вакуум J. Schwinger (1951)

34. Лазерный импульс: • радиус фокального пятна • длительность импульса

35. при

36. 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

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

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

39. 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) !!

40. Number of pairs is growing very fast after the threshold value of intensity 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

41. Лобовое столкновение двух лазерных импульсов

42. Рождение пар двумя сталкивающимися импульсами S.S. Bulanov, N.B. Narozhny, V.S. Popov, V.D. Mur, ZhETF 129, 14 (2006) !! Эффект можно наблюдать при

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

44. Эффект можно усилить, если использовать многопучковую технологию

45. S. S. Bulanov, V.D. Mur, N.B. Narozhny, et.al., PRL 104, 220404 (2010) n=24

46. Множественное столкновение импульсов

48. 2 импульса 24 импульса

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

50. Электромагнитный каскад индуцированный рожденной парой •••