Schwinger effect in inhomogeneous electric fields / Florian Hebenstreit

• VerfasserIn: Hebenstreit, Florian
• Place / Publishing House: 2011
• Year of Publication: 2011
• Language: English
• Classification: 33.24 - Quantenfeldtheorie; 33.16 - Elektrizität. Magnetismus
• Physical Description: 123 S.; graph. Darst.
• Notes: Zsfassung in dt. Sprache

ger: Das Vakuum der Quantenelektrodynamik ist im Beisein von elektrischen Feldern instabil gegenüber dem Entstehen von Vielteilchenzuständen, insbesondere der Erzeugung von Elektron-Positron Paaren (Schwinger-Effekt). Die Vorhersage dieses Effekts wurde bis heute noch nicht experimentell bestätigt, da es bisher nicht möglich war die dazu nötigen elektrischen Feldstärken zu generieren. An in Planung bzw. im Bau befindlichen Hochintensitätslasern wie etwa dem Europäischen XFEL oder der Extreme Light Infrastructure (ELI) könnte es jedoch möglich werden diesen Effekt in den nächsten Jahrzehnten tatsächlich zu beobachten.Vorangegangene theoretische Untersuchungen des Schwinger-Effekts haben dazu geführt, dass man die allgemeinen Paarproduktionsmechanismen heute recht gut versteht. Bis vor Kurzem war es noch nicht möglich den Schwinger-Effekt im Beisein von realistischen orts- und zeitabhängigen elektrischen Feldern, wie sie in Hochintensitätslasern produziert werden, zu untersuchen. Dass dies heute möglich ist, verdankt sich einerseits einem neuen Formalismus sowie andererseits der rapiden Entwicklung der Computertechnologie. Diese Dissertation möchte verschiedene Aspekte des Schwinger-Effekts im Beisein inhomogener elektrischer Felder untersuchen und stützt sich dabei auf den Wignerfunktions-Formalismus. Hinsichtlich des Schwinger-Effekts im Beisein von zeitabhängigen elektrischen Feldern werden analytische Lösungen für die Wignerfunktion in einem statischen sowie gepulsten elektrischen Feld berechnet. Weiters wird die Paarproduktion im Beisein eines elektrischen Feldes, welches einen realistischen Laserpuls modelliert, untersucht. Schließlich wird zum ersten Mal eine numerische Berechnung des Schwinger-Effekts im Beisein eines einfachen orts- und zeitabhängigen elektrischen Feldes durchgeführt. Die Resultate dieser Rechnung erlauben es Aussagen über die Zeitentwicklung von observablen Größen wie etwa der Ladungsdichte oder Teilchendichte zu machen.

eng: he vacuum of quantum electrodynamics is unstable against the formation of many-body states in the presence of an external electric field, manifesting itself as the creation of electron-positron pairs (Schwinger effect). This effect has been a long-standing but still unobserved prediction as the generation of the required field strengths has not been feasible so far. However, due to the advent of a new generation of high-intensity laser systems such as the European XFEL or the Extreme Light Infrastructure (ELI), this effect might eventually become observable within the next decades. Previous investigations of the Schwinger effect led to a good understanding of the general mechanisms behind the pair creation process, however, realistic electric fields as they might be present in upcoming high-intensity laser experiments have not been fully considered yet. Actually, it was only recently that it became possible to study the Schwinger effect in realistic electric fields showing both temporal and spatial variations owing to the theoretical progress as well as the rapid development of computer technology. Based on the equal-time Wigner formalism, various aspects of the Schwinger effect in such inhomogeneous electric fields are investigated in this thesis. Regarding the Schwinger effect in time-dependent electric fields, analytic expressions for the equal-time Wigner function in the presence of a static as well as a pulsed electric field are derived. Moreover, the pair creation process in the presence of a pulsed electric field with sub-cycle structure, which acts as a model for a realistic laser pulse, is examined. Finally, an ab initio simulation of the Schwinger effect in a simple space- and time-dependent electric field is performed for the first time, allowing for the calculation of the time evolution of various observables like the charge density, the particle number density or the number of created particles.