Titelaufnahme

Titel
Electron-positron pair production in multiple time scale electric fields / Markus Orthaber
Verfasser/ VerfasserinOrthaber, Markus
Begutachter / BegutachterinAlkofer Reinhard
Erschienen2010
UmfangIV, 108 S. : Zsfassung ; Ill.,graph. Darst.
HochschulschriftGraz, Univ., Dipl.-Arb., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (GND)Elektron / Positron / Paarerzeugung / Elektrisches Feld / Elektron / Positron / Paarerzeugung / Elektrisches Feld / Online-Publikation
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-23917 Persistent Identifier (URN)
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Electron-positron pair production in multiple time scale electric fields [5.54 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die Produktion von Elektron-Positron Paaren durch starke elektrische Felder, der so genannte Schwingereffekt, wird seit den Anfängen der Quantenmechanik diskutiert. Die Wahrscheinlichkeit ein solches Paar in einem statischen elektrischen Feld zu erzeugen wurde bereits in den 1930er Jahren abgeschätzt. Aufgrund der exponentiellen Unterdrückung dieser Wahrscheinlichkeit sind jedoch zur Erzeugung einer messbaren Anzahl an Paaren extrem starke Felder notwendig, sodass ein experimenteller Nachweis dieses Effektes bislang nicht gelungen ist. Durch den schnellen Fortschritt der Lasertechnologie könnte eine Verifikation dennoch in absehbarer Zukunft möglich sein, da an momentan geplanten Lasereinrichtungen Feldstärken von etwa 10% der kritischen Feldstärke erreichbar sein sollten. Um sowohl den Produktions- als auch den Transportprozess der Paare in einem zeitlich variablen Feld beschreiben zu können, war es notwendig Quantenfeldtheorie mit Transporttheorie zu verknüpfen. Auf diesem Wege wurde Anfang der 1990er Jahre eine boltzmannartige Gleichung für die Impulsraum Verteilungsfunktion, die so genannte quantenkinetische Gleichung, hergeleitet. Weiters konnte kürzlich gezeigt werden, dass die Kombination von elektrischen Feldern mit verschiedenen Zeitskalen die Paarproduktionsraten drastisch erhöhen und somit einen Nachweis des Schwingereffektes in der nahen Zukunft ermöglichen könnte. In dieser Diplomarbeit wird die quantenkinetische Gleichung als theoretisches Werkzeug verwendet um Paarerzeugungsprozesse zu berechnen. Zuerst werden für einen einzelnen elektrischen Puls numerische Rechnungen mit analytischen Rechnungen, sowohl im adiabatischen als auch im anti-adiabatischen Regime, verglichen. Schlussendlich werden mehrere numerische Rechnungen durchgeführt um den Effekt der kombinierten Zeitskalen auf die Paarerzeugungsrate qualitativ abschätzen und interpretieren zu können.

Zusammenfassung (Englisch)

The production of electron-positron pairs due to strong electric fields, nowadays called Schwinger effect, has been discussed for a long time. The probability for producing such pairs within a static field has been estimated in the 1930s. Since this probability is exponentially suppressed, huge field strengths are needed to produce a measurable amount of pairs. However, the rapid development of laser technology could make a verification of this non-perturbative pair-production process possible in the foreseeable future. Currently planned laser facilities might reach field strengths of the order of 10% of the critical field strength. To describe both the production process and the time-evolution of the pairs within a time-dependent field, it was necessary to combine quantum field theory with transport theory. An equation able to deal with such a process is the quantum kinetic equation, a Boltzmann-type equation for the momentum space distribution function derived in the early 1990s. For time-dependent fields already 40% of the critical field strength produce a measurable amount of pairs. Furthermore, recent investigations show that the combination of different electric pulses acting on different time scales should be able to lower the threshold for production of a measurable amount of pairs dramatically. In this thesis the quantum kinetic formalism is used as a theoretical framework. First of all comparisons of the results obtained in numerical calculations with the ones from an available analytical solution for a single impulse-shaped electric field are carried out. These comparisons are performed within the adiabatic regime (Schwinger effect) as well as within the anti-adiabatic regime (multi-photon effect). Finally, several calculations to investigate the effect of multiple time scales on the pair production rate and a comparison of the contributions from multi-photon effect and Schwinger effect are presented.