强场下正负电子对产生及其有正负电子对情况下的等离子体中的非线性波

The present project is to study the physical problem of the electron-positron pair production from the unstable vacuum in strong field and the nonlinear waves in electron-positron (EP) plasma and electron-positron-ion (EPI) plasma under the strong laser fields. Theoretical analysis and numerical calculation will be performed. For pair production, the nonlinear dynamics mechanism will be considered and the quantum Vlasov equation (QVE) will be solved numerically. The physical reasons of momentum spectrum behaviour of the created electron-positron will be searched deeply by the QVE. The optimal combined fields and parameters are provided. For nonlinear waves in EP plasma and EPI plasmas, the conditions of the solitary waves existence will be given in different cases and the special study is focused on the problem with the strong magnetic field. Moreover, the generalized Ohm's law for relativistic EP plasma in the frame of MHD will be given and it will be employed to study the solitary waves and shock waves. The present project has an important theoretical value because the research area is an interacting physical system with high nonlinearity. On the other hand, the study would be not only useful to the new ways of the positron sourece production and the experiments on the new behavior of nonlinear waves in EP plasma or/and EPI plasmas in laboratory in future but also helpful to understand some other possible applications and phenomena occur in the cosmology.

本项目研究强场下真空失稳而产生的正负电子对的问题，以及在强激光场下电子-正电子（EP）和电子-正电子-离子（EPI）等离子体中的非线性波问题。研究包括理论分析与数值计算。对正负电子对产生，分析其非线性动力学机制，用量子弗拉索夫方程（QVE）来深入研究与理解产生的电子-正电子动量谱行为的物理机制，研究和设计出优化的组合场及其参数。对EP和EPI等离子体中的非线性波，研究不同情形下孤立波的存在条件,特别是有强磁场情况下的问题，另外还研究相对论性EP等离子体在磁流体力学（MHD）框架下的广义欧姆（Ohm）定律，并结合MHD方程组得到孤立波与冲击波等。该项目研究的理论意义在于研究对象是高度非线性的相互作用的耦合系统，另外项目研究为高品质正电子源的新的生成方法，EP和EPI等离子体中新的非线性波行为的实验研究，以及为其他应用和天体现象的理解等提供理论上的指导与帮助。

该项目的背景来自于两个方面，一是高强度激光的快速发展使得离真空失稳产生正负电子对的施温格临界场强更加接近，尽管场强还低三个量级，但由于存在量子隧道效应，再加上多光子效应和动力学辅助机制使得产生阈值减低，因此强场或强激光场下正负电子对产生的研究很有必要；二是在一些天体物理中发现有正负电子对的等离子体存在，在强的电场或磁场下有新的等离子体非线性波。该项目主要就是围绕这两个方面进行了深入研究，特别是对强场下正负电子对产生的一些关键的物理特征有了进一步的认识，得到了一些重要的结果，例如：（1）一个场的极化效应和两个圆极化场的相对相位效应，（2）激光极化效应下正负电子动量谱的相干性和二场反向旋转时正负电子动量谱的涡旋性，（3）外场或激光的不同组合形态和参数对正负电子对产生的影响，（4）三场下的动力学辅助机制和阈值降低等，（5）正负电子对（EP）等离子体和正负电子与离子（EPI）等离子体下一些新的非线性波，以及静电波的多峰精细结构等。项目的科学意义在于加深了对非线性量子电动力学（QED）真空在强场下产生正负电子对的理论和物理机制的进一步认识和理解，对包括正电子源产生与应用和对包含有稠密正负电子对的天体等离子体物理及其现象的认识等都有很大的参考价值。