В рамках проекта будет проведено исследование фундаментальных явлений вакуумного двулучепреломления и дихроизма в сильных электромагнитных полях. Описание этих процессов основано на вычислении поляризационного оператора во внешнем поле. Современные методы, применяемые с этой целью, имеют существенные ограничения, поскольку позволяют рассматривать либо только внешнее поле в форме плоской электромагнитной волны, либо описывать процессы в режиме низких энергий пробного фотона и низких частот лазерного поля. Цель проекта - решить проблему ограниченности теоретических подходов посредством развития новых методов за рамками приближения локально постоянного поля (locally-constant field approximation, LCFA), позволяющих исследовать эффекты вакуумного двулучепреломления и дихроизма в неоднородных полях различных реалистичных конфигураций. С использованием разработанных методов будут получены новые количественные предсказания в широком диапазоне параметров, что даст возможность оценить перспективность целого ряда возможных экспериментальных сценариев для исследования нелинейных эффектов квантовой электродинамики (КЭД) в сильных лазерных полях.
Актуальность исследования с точки зрения эксперимента обусловлена стремительным прогрессом в области лазерных технологий. Перспективные лазерные установки развиваются во всем мире: SEL (Китай), SLAC (США), XFEL и др. На территории РФ будет построен лазерный комплекс в рамках проекта Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS) (https://xcels.ipfran.ru/) класса мегасайенс. Расширение экспериментальных возможностей для исследования нелинейных эффектов КЭД в сильных полях значительным образом мотивирует проведение новых теоретических исследований.
Как отмечалось выше, теоретическое описание процессов вакуумного двулучепреломления и дихроизма в сильных электромагнитных полях в данный момент существенно ограничено из-за проблемы применимости существующих методов. Настоящий проект призван заметным образом продвинуться в решении этой проблемы. В ходе реализации проекта будут разработаны новые методы, которые позволят проводить расчеты для существенно более широкого класса неоднородных внешних полей, а также исследовать процессы вакуумного двулучепреломления и дихроизма в области высоких энергий пробного фотона, где существующие теоретические подходы чрезвычайно ограничены.
Помимо развития новых теоретических подходов и разработки численных алгоритмов будут проведены детальные расчеты: будут установлены границы применимости приближенных методов, исследованы процессы при произвольных энергиях пробного фотона и различных значениях амплитуды и частоты внешнего поля, а также будет произведен учет немонохроматичности лазерных импульсов. Это позволит получить новые предсказания и существенным образом стимулировать дальнейшие усилия со стороны экспериментаторов.
На данный момент момент существует два основных теоретических подхода для описания процессов вакуумного двулучепреломления и дихроизма в сильных электромагнитных полях. Первый из них связан с приближенным учетом пространственно-временной зависимости внешнего поля посредством LCFA (см., например, работы [V. Dinu et. al., Phys. Rev. D 89, 125003 (2014); F. Karbstein and R. Shaisultanov, Phys. Rev. D 91, 085027 (2015); F. Karbstein and R. Shaisultanov, Phys. Rev. D 91, 113002 (2015); F. Karbstein, H. Gies, M. Reuter, and M. Zepf, Phys. Rev. D 92, 071301(R) (2015); F. Karbstein and C. Sundqvist, Phys. Rev. D 94, 013004 (2016); F. Karbstein, A. Blinne, H. Gies, M. Zepf, Phys. Rev. Lett. 123, 091802 (2019); H. Gies, F. Karbstein, and L. Klar, Phys. Rev. D 106, 116005 (2022)]). Хотя данный подход позволяет получать точные предсказания в области относительно низких энергий пробного фотона, наибольшая величина сигнала отвечает фотонам высокой энергии (порядка энергии покоя электрона и больше). Исследования, относящиеся ко второму подходу и посвященные вакуумному двулучепреломлению и дихроизму в высокоэнергетической области [T. Heinzl et. al., Opt. Commun. 267, 318 (2006); A. Di Piazza, K. Z. Hatsagortsyan, and C. H. Keitel, Phys. Rev. Lett. 97, 083603 (2006); B. King and N. Elkina, Phys. Rev. A 94, 062102 (2016); Y. Nakamiya and K. Homma, Phys. Rev. D 96, 053002 (2017); S. Bragin, S. Meuren, C. H. Keitel, and A. Di Piazza, Phys. Rev. Lett. 119, 250403 (2017)], ограничиваются использованием аналитических выражений для поляризационного оператора в поле плоской электромагнитной волны [V. N. Baier, A. I. Milstein, and V. M. Strakhovenko, Sov. Phys. JETP 42, 961 (1976); W. Becker and H. Mitter, J. Phys. A 8, 1638 (1975); S. Meuren, C. H. Keitel, and A. Di Piazza, Phys. Rev. D 88, 013007 (2013)].
Общая задача настоящего проекта - разработать методы за рамками LCFA, позволяющие рассматривать произвольные конфигурации внешнего поля. Для решения этой задачи в ходе реализации проекта потребуется:
1) Развитие эффективного численного метода, основанного на прямом вычислении диаграмм Фейнмана в старшем порядке по амплитуде поля. Данный подход позволит рассматривать как процесс двулучепреломления, так и процесс дихроизма при высоких энергиях фотона, где метод LCFA неприменим.
2) Проведение расчетов в случае плоской волны с использованием аналитических непертурбативных выражения, LCFA и нового подхода из п. 1; анализ границ применимости различных методов.
3) Развитие непертурбативного численного подхода, основанного на решении уравнения Дирака в импульсном представлении. Данная техника позволит рассматривать внешние поля произвольной амплитуды, поскольку учитывает внешнее поле сразу во всех порядках.
Важнейшая часть проекта связана с непосредственным применением развитых методов, проведением расчетов и получением новых предсказаний. Будут детально проанализированы несколько сценариев (плоская электромагнитная волна, стоячая волна, лазерное поле с учетом конечного размера и длительности). Все расчеты будут проводиться при различных значениях энергии пробного фотона, амплитуды и частоты лазерного поля.
По тематике КЭД в сильных полях руководителем опубликовано 12 статей в журналах квартиля Q1. В 2020 г. И. А. Александров защитил кандидатскую диссертацию по теме "Рождение электрон-позитронных пар в сильных электромагнитных полях, зависящих от координат и времени". Руководитель имеет опыт успешной совместной реализации проектов по грантам РФФИ-ННИО (17-52-12049 и 20-52-12017), РФФИ-Росатом (20-21-00098) и БАЗИС (17-15-574-1 и 21-1-4-52-1). А. Г. Ткачев является студентом бакалавриата на кафедре квантовой механики СПбГУ и занимается научной работой под руководством И. А. Александрова. Коллектив имеет ряд эффективных численных процедур, применяемых для описания процессов рождения пар в неоднородных полях, вакуумного излучения фотонов и нелинейного комптоновского рассеяния. Хотя для реализации проекта потребуется разработка новых численных методов, часть имеющегося программного кода будет использована в новых программах.
Список избранных публикаций по теме проекта:
1) I. A. Aleksandrov, A. Di Piazza, G. Plunien, and V. M. Shabaev, "Stimulated vacuum emission and photon absorption in strong electromagnetic fields", Physical Review D 105, 116005 (2022). Q1, IF=5.296, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.105.116005
2) I. A. Aleksandrov and V. M. Shabaev, "Vacuum birefringence in a field of a plane electromagnetic wave", Optics and Spectroscopy 129, 890 (2021). Q3, IF=0.891, https://doi.org/10.1134/S0030400X21070031
3) I. A. Aleksandrov and A. A. Andreev, "Pair production seeded by electrons in noble gases as a method for laser intensity diagnostics", Physical Review A 104, 052801 (2021). Q1, IF=3.140, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.104.052801
4) D. G. Sevostyanov, I. A. Aleksandrov, G. Plunien, and V. M. Shabaev, "Total yield of electron-positron pairs produced from vacuum in strong electromagnetic fields: Validity of the locally constant field approximation", Physical Review D 104, 076014 (2021). Q1, IF=5.296, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.076014
5) I. A. Aleksandrov, A. D. Panferov, S. A. Smolyansky, "Radiation signal accompanying the Schwinger effect", Physical Review A 103, 053107 (2021). Q1, IF=3.140, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.053107
6) I. A. Aleksandrov and C. Kohlfürst, "Pair production in temporally and spatially oscillating fields", Physical Review D 101, 096009 (2020). Q1, IF=5.296, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.101.096009
7) I. A. Aleksandrov, G. Plunien, and V. M. Shabaev, "Photon emission in strong fields beyond the locally-constant field approximation", Physical Review D 100, 116003 (2019). Q1, IF=5.296, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.116003
8) I. A. Aleksandrov, G. Plunien, and V. M. Shabaev, "Locally-constant field approximation in studies of electron-positron pair production in strong external fields", Physical Review D 99, 016020 (2019). Q1, IF=5.296, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.99.016020
9) I. A. Aleksandrov, G. Plunien, and V. M. Shabaev, "Dynamically assisted Schwinger effect beyond the spatially-uniform-field approximation", Physical Review D 97, 116001 (2018). Q1, IF=5.296, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.116001
10) I. A. Aleksandrov, G. Plunien, and V. M. Shabaev, "Momentum distribution of particles created in space-time-dependent colliding laser pulses", Physical Review D 96, 076006 (2017). Q1, IF=5.296, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.96.076006.
Избранные доклады по теме проекта:
1) Международная конференция 31st Annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'23), приглашенный доклад, "Schwinger pair production: fast switch-off effects versus dynamical assistance", 3-7 июля 2023, дистанционный формат
2) Международная конференция VII International Conference "Models in Quantum Field Theory" (MQFT-2022), устный доклад "Vacuum radiation processes in strong electromagnetic fields", 10-14 октября, Санкт-Петербург, Россия
3) Международная конференция 30th Annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'22), приглашенный доклад, "Stimulated vacuum emission and photon absorption in strong electromagnetic backgrounds", 18-22 июля 2022, дистанционный формат
4) Международная конференция 20th International Conference Laser Optics (ICLO-2022), устный доклад "Efficient generation of positrons in laser plasma for measuring super-high laser intensities", 20-24 июня 2022, Санкт-Петербург, Россия
5) Международная конференция V International Conference on Ultrafast Optical Science (Ultrafastlight-2021), устный доклад, "Pair production in a gas target as a method for the laser intensity diagnostics", 4-8 октября 2021, Москва, Россия
