Предел Швингера - Schwinger limit

А Диаграмма Фейнмана (диаграмма коробки) для фотон-фотонного рассеяния; один фотон рассеивается от переходного процесса колебания заряда вакуума другого.

В квантовая электродинамика (QED), Предел Швингера шкала, над которой электромагнитное поле ожидается, станет нелинейный. Предел был впервые получен в ходе одного из первых теоретических успехов QED: Фриц Заутер в 1931 г.^[1] и далее обсуждается Вернер Гейзенберг и его ученик Ганс Генрих Эйлер.^[2] Предел, однако, обычно называют в литературе.^[3] для Джулиан Швингер, который вывел ведущие нелинейные поправки к полям и рассчитал скорость рождение электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле.^[4] Предел обычно указывается как максимум электрическое поле или магнитное поле перед нелинейностью для вакуума

${\displaystyle E_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{3}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 1.32\times 10^{18}\,\mathrm {V} /\mathrm {m} }$

${\displaystyle B_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{2}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 4.41\times 10^{9}\,\mathrm {T} ,}$

где м_е это масса электрон, c это скорость света в вакууме, q_е это элементарный заряд, и час сокращенный Постоянная Планка. Это огромная напряженность поля. Такое электрическое поле способно ускорить протон от состояния покоя до максимальной энергии, достигаемой протонами на Большой адронный коллайдер всего примерно в 5 микрометров. Магнитное поле связано с двулучепреломление вакуума и превышается на магнетары.

В вакууме классический Уравнения Максвелла идеально линейные дифференциальные уравнения. Это подразумевает - по принцип суперпозиции - что сумма любых двух решений уравнений Максвелла является другим решением уравнений Максвелла. Например, два пересекающихся луча света должны просто складывать свои электрические поля и проходить сквозь друг друга. Таким образом, уравнения Максвелла предсказывают невозможность каких-либо, кроме тривиальных, эластичный фотон-фотонное рассеяние. Однако в КЭД неупругое фотон-фотонное рассеяние становится возможным, когда объединенная энергия достаточно велика, чтобы создать виртуальные электрон-позитронные пары спонтанно, о чем свидетельствует Диаграмма Фейнмана на соседнем рисунке.

Одной плоской волны недостаточно, чтобы вызвать нелинейные эффекты даже в КЭД.^[4] Основная причина этого состоит в том, что одну плоскую волну данной энергии всегда можно рассматривать в другом система отсчета, где у него меньше энергии (то же самое и для одиночного фотона). Единственная волна или фотон не имеют центр импульса кадра где его энергия должна быть минимальной. Однако две волны или два фотона, не движущиеся в одном направлении, всегда имеют минимальную комбинированную энергию в их системе координат центра импульса, и именно эта энергия и связанные с ней напряженности электрического поля определяют создание частицы-античастицы и связанное с ней рассеяние. явления.

Фотон-фотонное рассеяние и другие эффекты нелинейная оптика в вакууме - активная область экспериментальных исследований, при этом текущие или планируемые технологии начинают приближаться к пределу Швингера.^[5] Это уже наблюдалось через неэластичный каналы в SLAC Эксперимент 144.^[6][7] Однако прямых эффектов в упругом рассеянии не наблюдалось. По состоянию на 2012 год наилучшее ограничение на упругий фотон-фотон сечение рассеяния принадлежал ПВЛАС, который сообщил о верхнем пределе, намного превышающем уровень, предсказанный Стандартная модель.^[8]

Было предложено измерить упругое рассеяние света на свету с использованием сильных электромагнитных полей адронов, столкнувшихся на LHC.^[9] В 2019 году ATLAS эксперимент на LHC объявили о первом окончательном наблюдении фотон-фотонного рассеяния, наблюдаемого при столкновениях ионов свинца, которые создают поля величиной до 10²⁵ В / м, значительно превышающие предел Швингера.^[10] Наблюдение сечения, большего или меньшего, чем предсказанное Стандартной моделью, может означать новую физику, такую ​​как аксионы, поиск которого является основной задачей PVLAS и ряда подобных экспериментов. ATLAS наблюдал больше событий, чем ожидалось, что потенциально свидетельствует о том, что поперечное сечение больше, чем предсказано Стандартной моделью, но это превышение еще не является статистически значимым.^[11]

Запланированный, профинансированный ELI –Ультра-высокопольный объект, который будет изучать свет на границе интенсивности, вероятно, останется значительно ниже предела Швингера^[12] хотя все еще возможно наблюдать некоторые нелинейные оптические эффекты.^[13] Такой эксперимент, в котором ультра-интенсивный свет вызывает образование пар, был описан в популярных СМИ как создание "грыжа "в пространстве-времени.^[14]

Смотрите также

• Джулиан Швингер
• Эффект Швингера
• Эффект Соколова – Тернова
• Поляризация вакуума

использованная литература

1. Ф. Заутер (1931), "Uber das Verhalten eines Elektrons im homogenen elektrischen Feld nach der relativistischen Theorie Diracs", Zeitschrift für Physik (82 изд.): 742–764, Дои:10.1007 / BF01339461, S2CID  122120733
2. В. Гейзенберг и Х. Эйлер (1936), "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positron", Zeitschrift für Physik (98 изд.), 98 (11–12): 714–732, Дои:10.1007 / BF01343663, S2CID  120354480 английский перевод
3. М. Бьюкенен (2006), "Диссертация: За пределами Швингера", Природа Физика (2-е изд.): 721, Дои:10.1038 / nphys448, S2CID  119831515
4. Дж. Швингер (1951), "О калибровочной инвариантности и поляризации вакуума", Phys. Ред. (82-е изд.), 82 (5): 664–679, Дои:10.1103 / PhysRev.82.664
5. Степан С. Буланов, Тимур Ж. Есиркепов, Александр Г. Р. Томас, Джеймс К. Кога и Сергей В. Буланов (2010 г.), "О достижимости предела Швингера с помощью лазеров экстремальной мощности", Phys. Rev. Lett. (105 изд.), 105 (22): 220407, arXiv:1007.4306, Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.220407, PMID  21231373, S2CID  36857911
6. К.С. Була, К.Т. Макдональд, Э.Дж. Пребис, К. Бамбер, С. Боге, Т. Коцероглу, А. К. Мелиссинос, Д. Д. Мейерхофер, В. Рагг, Д. Л. Берк, Р. К. Филд, Г. Хортон-Смит, А. К. Одиан, Дж. Э. Спенсер, Д. Walz, SC Berridge, WM Bugg, K. Shmakov, and AW Weidemann (1996), «Наблюдение нелинейных эффектов в комптоновском рассеянии», Phys. Rev. Lett. (76-е изд.), 76 (17): 3116–3119, Дои:10.1103 / PhysRevLett.76.3116, PMID  10060879
7. К. Бамбер, С. Дж. Боэге, Т. Коффас, Т. Коцероглу, А. К. Мелиссинос, Д. Д. Мейерхофер, Д. А. Рейс, В. Рэгг, К. Була, К. Т. Макдональд, Э. Дж. Пребис, Д. Л. Берк, Р. К. Филд, Г. Хортон-Смит, Дж. Э. Спенсер, Д. Вальц, С. К. Берридж, В. М. Багг, К. Шмаков и А. В. Вейдеманн (1999), "Исследования нелинейной КЭД при столкновении электронов 46,6 ГэВ с интенсивными лазерными импульсами", Phys. Ред. D (60-е изд.), 60 (9), Дои:10.1103 / PhysRevD.60.092004
8. Г. Заваттини и др., "Измерение магнитного двойного лучепреломления вакуума: эксперимент PVLAS", принято к публикации в Труды конференции QFEXT11 в Бенаске, [1]
9. Д. д'Энтеррия, Г. Г. да Сильвейра (2013), "Наблюдение за рассеянием света на большом адронном коллайдере", Phys. Rev. Lett. (111 изд.), 111 (8): 080405, arXiv:1305.7142, Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.080405, PMID  24010419, S2CID  43797550
10. Сотрудничество ATLAS, "ATLAS наблюдает свет, рассеиваемый светом", [2], (2019)
11. Сотрудничество ATLAS, "Наблюдение за рассеянием света при ультрапериферических столкновениях Pb + Pb с детектором ATLAS", [3], (2019)
12. Т. Хайнцль, "КЭД сильного поля и лазеры большой мощности", пленарное заседание QFEXT11 Benasque Conference, [4][5]
13. Г. Ю. Крючкян, К.З. Хацагорцян (2011), "Брэгговское рассеяние света в вакууме, структурированном сильными периодическими полями", Phys. Rev. Lett. (107 изд.), 107 (5): 053604, arXiv:1102.4013, Дои:10.1103 / PhysRevLett.107.053604, PMID  21867070, S2CID  25991919
14. И. О'Нил (2011). "Лазер, чтобы создать грыжу Вселенной?". Новости открытия. Архивировано из оригинал 3 ноября 2011 г.