granica Schwingera

Diagram Feynmana ( diagram pudełkowy ) dla rozpraszania foton-foton; jeden foton rozprasza się w wyniku przejściowych fluktuacji ładunku próżni drugiego.

W elektrodynamice kwantowej (QED) granica Schwingera to skala, powyżej której oczekuje się, że pole elektromagnetyczne stanie się nieliniowe . Granica została po raz pierwszy wyprowadzona w jednym z najwcześniejszych sukcesów teoretycznych QED przez Fritza Sautera w 1931 roku i omówiona dalej przez Wernera Heisenberga i jego ucznia Hansa Heinricha Eulera . Granica jest jednak powszechnie nazywana w literaturze przez Juliana Schwingera , który wyprowadził wiodące nieliniowe poprawki do pól i obliczył współczynnik wytwarzanie par elektron-pozyton w silnym polu elektrycznym. Granica jest zwykle podawana jako maksymalne pole elektryczne lub pole magnetyczne przed nieliniowością dla próżni

$\ Displaystyle E _ {\ tekst {c}} = {\ Frac {m _ {\ tekst {e}} ^ {2} c ^ { 3}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 1,32\times 10^{18}\,\mathrm {V} /\mathrm {m} }$

${\ Displaystyle B _ {\ tekst {c}} = {\ Frac {m_ {\ tekst {e}} ^ {2} c ^ {2}} {q _ {\ tekst {e}} \ hbar}} \ simeq 4.41 \times 10^{9}\,\mathrm {T} ,}$

gdzie m _e to masa elektronu , c to prędkość światła w próżni, q _e to ładunek elementarny , a ħ to zredukowana stała Plancka . To są ogromne siły pola. Takie pole elektryczne jest w stanie przyspieszyć proton od spoczynku do maksymalnej energii osiąganej przez protony w Wielkim Zderzaczu Hadronów w ciągu zaledwie około 5 mikrometrów. Pole magnetyczne jest związane z dwójłomnością próżni i jest przekraczana na magnetarach .

W próżni klasyczne równania Maxwella są doskonale liniowymi równaniami różniczkowymi . Oznacza to - zgodnie z zasadą superpozycji - że suma dowolnych dwóch rozwiązań równań Maxwella jest innym rozwiązaniem równań Maxwella. Na przykład dwie przecinające się wiązki światła powinny po prostu dodać swoje pola elektryczne i przejść przez siebie. Zatem równania Maxwella przewidują niemożność jakiegokolwiek innego niż trywialne elastycznego rozpraszania foton-foton . Jednak w QED nieelastyczne rozpraszanie foton-foton staje się możliwe, gdy połączona energia jest wystarczająco duża, aby wytworzyć wirtualne pary elektron-pozyton spontanicznie, zilustrowane diagramem Feynmana na sąsiednim rysunku. Tworzy to efekty nieliniowe, które w przybliżeniu są opisane przez nieliniowy wariant równań Maxwella Eulera i Heisenberga .

Pojedyncza fala płaska nie wystarczy, aby wywołać efekty nieliniowe, nawet w QED. Podstawowym tego powodem jest to, że pojedyncza fala płaska o danej energii zawsze może być oglądana w innym układzie odniesienia , gdzie ma mniejszą energię (tak samo jest w przypadku pojedynczego fotonu). Pojedyncza fala lub foton nie ma układu środka pędu gdzie jego energia musi mieć minimalną wartość. Jednak dwie fale lub dwa fotony, które nie poruszają się w tym samym kierunku, zawsze mają minimalną łączną energię w swoim układzie środka pędu i to właśnie ta energia i związane z nią natężenia pola elektrycznego decydują o tworzeniu cząstka-antycząstka i związane zjawiska rozpraszania.

Rozpraszanie fotonowo-fotonowe i inne efekty optyki nieliniowej w próżni jest aktywnym obszarem badań eksperymentalnych, a obecna lub planowana technologia zaczyna zbliżać się do granicy Schwingera. Zostało to już zaobserwowane przez nieelastyczne w eksperymencie SLAC 144. Jednak bezpośredni wpływ na rozpraszanie sprężyste nie został zaobserwowany. Od 2012 r. Najlepsze ograniczenie przekroju poprzecznego rozpraszania elastycznych fotonów i fotonów należało do PVLAS , który podał górną granicę znacznie powyżej poziomu przewidywanego przez Model Standardowy .

Zaproponowano pomiar elastycznego rozpraszania światło po świetle przy użyciu silnych pól elektromagnetycznych hadronów zderzających się w LHC . W 2019 roku eksperyment ATLAS w LHC ogłosił pierwszą ostateczną obserwację rozpraszania foton-foton, obserwowanego w zderzeniach jonów ołowiu, które wytwarzały pola o wielkości 10 ²⁵ V/m , znacznie przekraczające granicę Schwingera. Obserwacja przekroju poprzecznego większego lub mniejszego niż przewidywany przez Model Standardowy może oznaczać nową fizykę, taką jak aksjony , którego poszukiwanie jest głównym celem PVLAS i kilku podobnych eksperymentów. ATLAS zaobserwował więcej zdarzeń niż oczekiwano, potencjalnie dowód na to, że przekrój poprzeczny jest większy niż przewidziano w modelu standardowym, ale nadmiar nie jest jeszcze statystycznie istotny.

Planowane, finansowane ELI – Ultra High Field Facility, które będzie badać światło na granicy intensywności, prawdopodobnie pozostanie znacznie poniżej granicy Schwingera, chociaż nadal możliwe będzie zaobserwowanie pewnych nieliniowych efektów optycznych. Stacja Ekstremalnego Światła (SEL) to kolejna budowana instalacja laserowa, która powinna być wystarczająco mocna, aby zaobserwować efekt. Taki eksperyment, w którym ultraintensywne światło powoduje tworzenie się par, został opisany w popularnych mediach jako tworzenie „przepukliny ” w czasoprzestrzeni.

Zobacz też

• Julian Schwinger
• Efekt Schwingera
• Efekt Sokołowa-Ternowa
• Polaryzacja próżni