Μελέτη παραγωγής σωματιδίων-αντισωματιδίων από το κενό παρουσία βραχύχρονων και υπέρ-ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων από σύγχρονα συστήματα λέιζερ

Abstract

Particle, anti-particle production is a field of intense interest, as evidenced by the activity observed at the level of theoretical study and experimental confirmation. Recently, with the development of new laser installations that can reach even greater intensities, it is possible to get even closer to the experimental confirmation of the phenomenon. The theoretical approach of the phenomenon is presented through various models that have been developed with emphasis on those of the two level on resonance approximation system and that of the fantastic time. Both models are based on multiphoton processes and our goal is to support their use as a satisfactory pairing performance can be achieved. Two new experimental arrangements will then be proposed for the study of two level on resonance approximation in order to demonstrate other ways of experimental verification of the phenomenon. First, pair production from a smaller scale XFEL laser will be described by applying the two level on resonance approximation. The bundle of relativistic electrons used for producing X-rays is produced and accelerated by using a powerful laser instead of a large-scale accelerator. The achievable performance will be calculated. The second proposed scheme is quite similar to the E144 experiment, the first and only experimental confirmation of the phenomenon so far, that has been made at Stanford on the SLAC accelerator. With a high intensity laser, an electron beam is generated and accelerated at relativistic speeds, and then interacts with another part of the laser beam. The laser system has wavelength in the infrared or visible spectrum. If for the calculations the electron’s rest frame is selected, photons have higher energy due to Lorentz transformation and electron positron production can occur with a relatively high yield. By applying the two level on resonance approximation, for the electron rest frame, we have the opportunity to compare the pair production performance with the previous cases and to report the results. Next the method of imaginary time that Popov first introduced, will be used in a scheme analogous to that of experiment E144. The results are presented with respect to the number of couples produced in the Popov model through graphs of the number of pairs in relation to the electric field strength. The multiphoton nature of the phenomenon has been confirmed and other evidence is also presented to support the claim that it may be used as a future experimental proposal for observing the phenomenon. We extended our investigation on pion pair production using the same scheme. Such particles can be used in other applications, but they require even higher field strengths. The results were presented through the curves of the produced particles in relation to the electric field strength. We are also exploring the possibility of reaching the stage where pions are produced, without having the laser energy consumed before in electron / positron production events. We have come up with a mechanism that allows the choice of the kind of particle pair that will be produced. In conclusion, an overview of the current developments and future issues to which the dissertation could extend. Lately there has been a keen activity, focusing on the experimental confirmation of the phenomenon. Within this activity various theoretical and experimental setups are proposed with the rationale for experimental confirmation of the phenomenon with already existing laser systems. We will examine a proposal where, γ photons are created by a high-energy electron beam interact with X-ray photons, resulting in the creation of an electron positron pair. Particle production is done through the Breit - Wheeler multiphoton mechanism that describes the interaction of a γ photon with a number of X-ray photons. The calculations focus on the interaction of a γ photon with an X-ray photon. The scheme will be discussed and the results will be presented concerning its performance and the corresponding comparisons with other proposed schemes will be made, aiming to make a first reference to the next steps in the development of this dissertation in the future.

Η παραγωγή σωματιδίων αντι-σωματιδίων είναι ένα πεδίο που συγκεντρώνει έντονο ενδιαφέρον, πράγμα που αποδεικνύεται από την έντονη δραστηριότητα που παρατηρείται σε επίπεδο θεωρητικής μελέτης αλλά και πειραματικής επιβεβαίωσης. Ειδικότερα το τελευταίο διάστημα με την ανάπτυξη νέων εγκαταστάσεων λέιζερ που μπορούν να φτάσουν σε ακόμη μεγαλύτερες εντάσεις, υπάρχει η δυνατότητα να πλησιάσουμε ακόμα περισσότερο στην πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου. Παρουσιάζεται η θεωρητική αντιμετώπιση του φαινομένου μέσα από διάφορα μοντέλα που αναπτύχθηκαν με έμφαση σε αυτά του συστήματος δύο σταθμών σε συντονισμό και αυτό του φανταστικού χρόνου. Και τα δύο μοντέλα βασίζονται σε πολυφωτονικές διαδικασίες και σκοπός μας είναι να υποστηρίξουμε την χρήση τους καθώς μπορούμε να επιτύχουμε ικανοποιητική απόδοση παραγωγής ζευγών. Στη συνέχεια θα προταθούν δύο νέες πειραματικές διατάξεις για τη μελέτη του συντονισμού με σκοπό να αναδειχτούν και άλλοι τρόποι πειραματικής εφαρμογής του φαινομένου. Πρώτα θα περιγραφεί η παραγωγή ζευγών από ένα λέιζερ XFEL μικρότερης κλίμακας εφαρμόζοντας την προσέγγιση του συντονισμού. Η δέσμη των σχετικιστικών ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των ακτίνων Χ παράγεται και επιταχύνεται με την χρήση ισχυρού λέιζερ αντί για των μεγάλων διαστάσεων και πολύπλοκο επιταχυντή. Με χρήση τυπικών παραμέτρων για την δέσμη του λέιζερ θα υπολογιστεί η επιτεύξιμη απόδοση. Η δεύτερη προτεινόμενη διάταξη έχει αρκετή ομοιότητα με το πείραμα Ε144, η πρώτη και μοναδική μέχρι σήμερα πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου έγινε στο Stanford στον επιταχυντή SLAC . Με ένα λέιζερ ισχύος παράγεται και επιταχύνεται σε σχετικιστικές ταχύτητες μια δέσμη ηλεκτρονίων η οποία αλληλεπιδρά με μέρος της δέσμης λέιζερ του συστήματος. Το σύστημα λέιζερ που χρησιμοποιείται έχει μήκος κύματος στο υπέρυθρο ή στο ορατό. Αν για τους υπολογισμούς επιλεγεί το σύστημα αναφοράς των σχετικιστικών ηλεκτρονίων, τα φωτόνια έχουν υψηλότερη ενέργεια και σε αυτή την περιοχή ενεργειών λόγω της μεγάλης έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που οφείλεται στο μετασχηματισμό Lorentz, έχουμε τις προϋποθέσεις για παραγωγή e+e- με σχετικά πολύ μεγάλη απόδοση Εφαρμόζοντας το μοντέλο του συντονισμού για το σύστημα αναφοράς των ηλεκτρονίων έχουμε την ευκαιρία να συγκρίνουμε την απόδοση παραγωγής ζευγών με τις προηγούμενες περιπτώσεις και να αναφέρουμε τα αποτελέσματα.Συνεχίζοντας με θα χρησιμοποιήθει η μέθοδος του φανταστικού χρόνου που πρώτος εισήγαγε ο Popov σε μια διάταξη ανάλογη με αυτή του πειράματος Ε144. Η μέθοδος αυτή είναι μια πολυφωτονική διαδικασία με την διαφορά ότι τώρα δεν είμαστε σε συντονισμό. Επίσης παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αναφορικά με τον αριθμό παραγόμενων ζευγών του μοντέλου Popov μέσα από γραφήματα του αριθμού ζευγών σε συνάρτηση με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Επιβεβαιώθηκε η πολυφωτονική φύση του φαινομένου και παρουσιάζονται επίσης και άλλα στοιχεία που ενισχύουν τον ισχυρισμό ότι μπορεί να αποτελέσει μια μελλοντική πειραματική πρόταση για παρατήρηση του φαινομένου. Επεκτείναμε τη διερεύνηση και στην δυνατότητα παραγωγής πιονίων με την χρήση της διάταξης που παρουσιάστηκε στην αρχή του κεφαλαίου. Τέτοια σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην συνέχεια σε άλλες εφαρμογές, αλλά ωστόσο απαιτούν ακόμα μεγαλύτερες εντάσεις ηλεκτρικών πεδίων. Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν μέσα από τις καμπύλες των παραγόμενων σωματιδίων σε συνάρτηση με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Επίσης διερευνάται η δυνατότητα να φτάσουμε στο γεγονός της παραγωγής πιονίων χωρίς να έχει πιο πριν αναλωθεί η ενέργεια του λέιζερ σε συμβάντα παραγωγής ηλεκτρονίων / ποζιτρονίων. Καταλήξαμε σε ένα μηχανισμό που επιτρέπει την επιλογή του είδους των παραγόμενων ζευγών σωματιδίων κι έτσι να υπάρχει η δυνατότητα καθορισμού του τύπου των παραγόμενων σωματιδίων. Ολοκληρώνοντας, θα γίνει μια επισκόπηση των τρεχουσών εξελίξεων και μελλοντικών θεμάτων προς τα οποία θα μπορούσε να επεκταθεί η διατριβή. Το τελευταίο διάστημα υπάρχει μια έντονη δραστηριότητα με επίκεντρο την πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου. Στα πλαίσια αυτής της δραστηριότητας προτείνονται διάφορες τεχνικές και πειραματικές διατάξεις με το σκεπτικό να γίνει πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου με ήδη υπάρχοντα συστήματα λέιζερ. Θα μας απασχολήσει μια τέτοια πρόταση όπου, φωτόνια γ που δημιουργήθηκαν από μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας αλληλεπιδρούν με φωτόνια ακτίνων-X, με αποτέλεσμα την δημιουργία ζεύγους e+e-. Η παραγωγή των σωματιδίων γίνεται μέσω του πολυφωτονικού μηχανισμού Breit – Wheeler που περιγράφει την αλληλεπίδραση ενός φωτονίου γ με ένα αριθμό φωτονίων Χ. Η υπολογισμοί επικεντρώνονται στην αλληλεπίδραση ενός φωτονίου γ με ένα φωτόνιο Χ. Επομένως αρχικά θα γίνει η περιγραφή της διάταξης και παρουσίαση αποτελεσμάτων όσον αφορά την απόδοσή της, οι αντίστοιχες συγκρίσεις με άλλες προτεινόμενες διατάξεις αποσκοπώντας στο να γίνει μια πρώτη αναφορά στα επόμενα βήματα εξέλιξης της παρούσας εργασίας.