强低频和弱高频组合激光场中产生正负电子对的理论研究和数值模拟

Due to the fast development of laser technology in experiments，the energy density of a laser field is expected to reach the critical value for electron-positron pairs production in vacuum, that was first obtained by Schwinger. Therefore, the mechanism of the pairs production is arresting more and more attention. This project aimed to investigate phenomenons of pairs production in combined laser fields. The Dirac equation will be solved analytically and numerically when a weak high-frequency field combined with a strong low-frequency field. The distribution of pair production rate in space and time will be studied, so the influence of the field intensity and frequency of electric or magnetic field can be revealed. The results have great support to doing experiments. There are three main works in the project:(1) pair production process in a strong low-frequency and weak high-frequency combined electric field; (2) influence of mechanism of pair production in an alternating electric field when a background magnetic field is applied; (3) investigation of the transition of the mechanism from a statistic field to a high-frequency alternating field.

近年来，由于激光技术的发展，实验上激光的能量密度有望达到Schwinger提出的真空中产生正负电子对的阈值，从而使得正负电子对的产生机制的研究受到越来越多的关注。本项目拟针对组合激光场中产生正负粒子对这一前沿问题展开研究。利用理论解析与数值模拟相结合的方法，求解强高频和弱低频组合激光场中的Dirac方程，对真空极化和粒子对产生几率在空间上分布和随时间演化过程进行理论研究，以了解电场、磁场的强度频率（尤其在激光场均在次临界条件下）对粒子对产生机制的影响，给相关实验提供重要理论参考。项目主要研究内容为：（1）强低频电场和弱高频电场下正负电子对的产生过程；（2）背景磁场对交变电场中正负电子对产生机制的影响；（3）从稳恒场到高频交变场的过渡机制研究。

1951年，理论物理学家Julian Schwinger提出了一种非微扰理论，成功的描述了在稳恒静电场下正反粒子对的产生过程和长时间内的产生率，并给出了真空中激发出正反粒子对的场强阈值，这种产生粒子对的机制被称为Schwinger效应。另一方面，γ光子用来产生正电子的实验也有初步结论，产生粒子对的多光子过程也得到深入的研究。既能降低正反粒子对产生的能量阈值又能产生足够的正负电子对的可行方案成为大家研究的焦点。我们针对本课题采用计算量子场论的方法，对利用电磁场在真空中产生正负电子对的机制和特性进行了深入的研究。结合理论解析与数值模拟的方法，求解强高频和弱低频组合激光场中的Dirac方程，对真空极化和粒子对产生几率在空间上分布和随时间演化过程进行理论研究，对粒子对产生机制的影响。课题实施期间，研究主要集中在以下三个方面：1，对振荡场加稳恒场的组合外场下真空中正反粒子对的产生特性进行了研究；2，单脉冲激光场的三种脉冲形态对产生粒子对的影响；3，场形态对单电子对产生和多电子对耦合过程的影响。通过研究表明适当的场形态会改善产生粒子的单能性和产生的粒子数，同时我们得出了几类场的产生机制的异同。此外，开发了基于产生矩阵的分析工具，有效分析产生正负电子对的能量分布以及背后机制。