Нелинейные эффекты генерации электрон-позитронных пар и ультракоротких импульсов сильными электромагнитными полями в вакууме и плазме

• Автор: Буланов, Степан Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

1 Введение
2 Рождение электрон-позитронных пар фокусированными электромагнитными импульсами в вакууме

2.1 Модель поля

2.2 Качественное обсуждение

2.3 Численные расчеты

2.4 Об эффекте Швингера в переменном электрическом поле

3 Рождение электрон-позитронных пар электромагнитными волнами

в плазме

3.1 Рождение электрон-позитронных пар ниркулярно поляризованной

электромагнитной волной в плазме

3.1.1 Релятивистки сильная электромагнитная волна в плазме

3.1.2 Рождение пар в поле циркулярно поляризованной
электромагнитной волны
3.2 Затухание сильных электромагнитных волн в плазме вследствие
рождения электрон-позитронных пар
3.2.1 Картина электромагнитного поля, возникающая в системе
отсчета, движущейся с групповой скоростью электромагнитной волны
3.2.2 Кинетическое описание электрон-позитронной плазмы
3.2.3 Быстро меняющееся электромагнитное поле
3.2.4 Медленно меняющееся электромагнитное поле
4 Генерация аттосекундных электромагнитных импульсов при
взаимодействии релятивистского солитона с опрокидывающейся кильватерной волной в плазме
4.1 Отражение электромагнитной волны от релятивистского зеркала
4.2 Ленгмюровские волны
4.3 Уравнение опрокидывающейся кильватерной плазменной волны
4.4 Солитоны в плазме
4.5 Взаимодействие солитона и кильватерной волны в плазме в режиме
опрокидывания
5 Заключение

А Метод мнимого времени В Применения метода мнимого времени С Свойства поляризационного тока
1 Введение
Одним из наиболее известных и широко обсуждающихся примеров фундаментальных явлений в физике элементарных частиц служат процессы рождения частиц в различных физических взаимодействиях, описываемых квантовой теорией поля. Квантовая теория поля возникла в результате слияния квантовой механики и специальной теории относительности и привлекается для объяснения принципиально новых явлений, которые не могут быть описаны в рамках этих двух теорий. Например, из принципа неопределенности квантовой механики следует, что на малых промежутках времени могут возникать большие флуктуации энергии. В свою очередь из специальной теории относительности мы знаем, что энергия однозначно связана с массой частиц. Таким образом совместное использование квантовой механики и специальной теории относительности позволяет описать новое явление - рождение частиц.
Особый интерес в настоящее время вызывают процессы, описываемые теорией квантовых эффектов во внешних полях, в том числе рождение частиц в вакууме под действием сильного внешнего поля. Это связано с быстрым развитием теории и технологии лазерной техники, созданием ускорителей на встречных пучках и открытием новых свойств кварк-глюонной плазмы, возникающей при взаимодействии тяжелых ионов, а также с успехами космологии и астрофизики, подтвердившими существование в природе сильных электромагнитных и гравитационных полей. В астрофизике учет квантовых эффектов во внешнем электромагнитном поле привлекается для описания магнетаров (магнетары представляют собой нейтронные звезды со сверхсильными магнитными полями, значение которых приближается к критическому), а также при изучении процессов, происходящих в окрестностях заряженных черных дыр. Исследование квантовых эффектов в гравитационном поле очень важно для понимания процессов, имевших место в Ранней Вселенной, когда существовали очень сильные гравитационные поля, и для объяснения "испарения"первичных черных дыр.
В цикле работ, представленных в данной диссертации, рассматривается крут задач, относящихся к вопросам рождения пар частица-античастица в рамках приближения квантовой электродинамики (КЭД). Как хорошо известно, КЭД представляет собой пример наиболее хорошо развитой и глубоко понятой квантовополевой теории. Поэтому исследование рождения пар электрон-позитрон в квантовоэлектродинамическом описании представляется наиболее естественным и оправданным.
В Квантовой Электродинамике сильным считается поле, напряженность которого

полю компонента импульса имеет чисто мнимое значение. Перпендикулярная полю компонента импульса частицы может быть комплексной.
Мы используем обозначение gz = Ps и переписываем уравнения для т0 и s в следующем виде, который соответствует уравнениям, полученным в |12], с эллиптичностью, равной единице:
sinh2 то — (s — cosh т0)2 = 72, (3-24)

/.s — cosh т ,
— rrrfr = 0, (3
0 [72 + (s ~ cosh т)2 ~ sinh2 т]
где т0 - особая точка W(t), причем W(t) - действие для частицы, движущейся вдоль экстремальной траектории. Параметр то имеет простой физический смысл - это время подбарьерного движения, и тес/Р = 7. Параметр 7 был
введен в [7, 8]. Он играет роль параметра адиабатичности, что может быть легко прослежено из вида функции д{7), определяемой ниже. Эта функция входит в основной экспоненциальный множитель в выражении для вероятности рождения пар. Действительно, пока 7 < 1, то есть в пределе сильного поля и низкой частоты, результат полученный в рамках метода мнимого времени согласуется с непертурбативным результатом, полученным в [1] для статического, пространственно однородного поля. Отметим, что параметр 7 характеризует динамику туннелирования частицы сквозь потенциальный барьер, чья ширина меняется со временем, и похож на хорошо известный в теории многофотонной ионизации атомов и ионов лазерным излучением параметр Келдыша [64]. В силу того, что здесь мы не используем лоренцовский множитель, обозначение 7 для параметра адиабатичности не должно вносить неясность.
Время подбарьерного движения То определяется из уравнения £ = (ш2с4 + |р|2с2)1''2 = О, из которого следует уравнение (3.24). При этом уравнение (3.25) вытекает из условия Im рг] — 0. Поведение функций s и т0 в зависимости от параметра 7 представлено на рис. 12а и 12Ь.
Используя т0 и s, полученные из уравнений (3.24) и (3.25), мы можем вычислить дифференциальную вероятность рождения пар. Она описывается следующей формулой (см. [12])
dwp = exp j-j |s(7) + cx^ + cj-q ^ j I d3p. (3.26)
Здесь e = E/Es - значение амплитуды электрического поля в единицах критического поля в движущейся системе отсчета, рх - импульс пары в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Es = m]c3/eh