Dokument: Relativistic Effects in Interatomic Ionization Processes and Formation of Antimatter Ions in Interatomic Attachment Reactions
| Titel: | Relativistic Effects in Interatomic Ionization Processes and Formation of Antimatter Ions in Interatomic Attachment Reactions | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=63209 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20230724-144048-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Jacob, Andreas [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter] Prof. Dr. Egger, Reinhold [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Interatomic energy transfer phenomena caused by efficient long-range electron correlations are among the most studied processes in atomic physics today. They can provide important insights into the interaction dynamics of single atomic species with their environment in more complex systems. For this reason, such processes are also of great interest to various other areas of physics like plasma physics, astrophysics, biophysics, and physical chemistry. Part I of this thesis covers fundamental aspects of two interatomic ionization processes relying on the efficient transfer of electronic energy via long-range electron correlations between two spatially well-separated atomic species with an emphasis on the influence of relativistic effects on ionization. The first process is two-center impact ionization, proceeding in a weakly bound diatomic system bombarded by charged particles and involving impact excitation of one atom with its subsequent decay via efficient energy transfer to the other atom that ionizes it. This process was already considered for nonrelativistic electron impact, where it can substantially enhance total electron emission. In this thesis, two-center impact ionization is further developed by considering the impact of relativistic bare ions and by including the relativistic retardation effect, accounting for the finite propagation of the electromagnetic interaction between the atoms. We show that two-center ion impact ionization can significantly enhance total electron emission and relativistic effects caused by a high collision velocity can greatly influence the angular distribution of emitted electrons while retardation effects are mostly negligible. The second process is two-center resonant photonionization (2CPI) occurring in a diatomic system exposed to a weak laser field and involving resonant photoexcitation of one atom with its consequent decay via efficient energy transfer to the other atom which ionizes it. This process, whose high efficiency in weakly bound systems was confirmed in experiments with Ne--He dimers and Ar-Ne clusters, was studied theoretically in slow atomic collisions when the interatomic energy transfer is driven by the exchange of virtual photons. In this thesis, we extend the theory of collisional 2CPI by including the relativistic retardation effect, enabling the energy transfer to occur also via the exchange of real photons that dramatically increases the effective interaction range. Our results show that such an approach to collisional 2CPI can profoundly modify this process and strongly enhance its reaction rate. Part II of this thesis deals with an application of interatomic energy transfer in antimatter physics, investigating attachment mechanisms for the production of substantial amounts of the positive ion of antihydrogen $\bar{\text{H}}^+$ in view of experiments on the free-fall of antihydrogen $\bar{\text{H}}$ currently planned at CERN. We perform a comparative study of various radiative and nonradiative attachment mechanisms for the formation of $\bar{\text{H}}^+$, where special focus lies on those mechanisms driven by the efficient transfer of positronic energy via long-range positron-electron correlations in systems of antimatter embedded in matter. In the process of two-center dileptonic attachment (2CDA), a positron incident on $\bar{\text{H}}$ is attached to $\bar{\text{H}}$ by resonant energy transfer to a neighboring (matter) atom, which gets excited and subsequently relaxes through spontaneous radiative decay. In the process of electron-assisted three-body attachment (3BAe), a free positron and electron are incident on $\bar{\text{H}}$ and the positron is attached to $\bar{\text{H}}$ via efficient energy transfer to the electron with consequent increase of its kinetic energy. Our results imply, in particular, that for relatively low positron energies $\lesssim 0.1$ eV (typical of current antimatter experiments) 3BAe strongly outperforms 2CDA whereas at larger energies $\simeq 1$ eV 2CDA can greatly dominate 3BAe.Interatomare Energietransferphänomene, verursacht durch effiziente langreichweitige Elektronenkorrelationen, gehören heute zu den meistuntersuchten Prozessen der Atomphysik. Sie können wichtige Einblicke in die Wechselwirkungsdynamik einzelner atomarer Spezies mit ihrer Umgebung in komplexeren Systemen liefern. Daher sind solche Prozesse auch für verschiedene andere Bereiche der Physik wie Plasmaphysik, Astrophysik, Biophysik und physikalische Chemie von großem Interesse. Teil I dieser Arbeit befasst sich mit grundlegenden Aspekten zweier interatomarer Ionisationsprozesse, die auf der effizienten Übertragung elektronischer Energie über langreichweitige Elektronenkorrelationen zwischen zwei räumlich getrennten atomaren Spezies beruhen, wobei ein Schwerpunkt auf dem Einfluss relativistischer Effekte auf die Ionisation liegt. Der erste Prozess ist die Zwei-Zentren-Stoßionisation, die in einem schwach gebundenen zweiatomigen System stattfindet, das von geladenen Teilchen beschossen wird und welche die Stoßanregung eines der Atome mit seiner anschließenden Abregung durch effiziente Energieübertragung auf das andere Atom, das dadurch ionisiert wird, beinhaltet. Dieser Prozess wurde bereits für Stöße mit nichtrelativistischen Elektronen betrachtet, wo er die Gesamtelektronenemission erheblich steigern kann. In dieser Arbeit wird die Zwei-Zentren-Stoßionisation weiterentwickelt, indem Stöße mit relativistischen Ionen sowie der Retardierungseffekt, welcher die endliche Ausbreitung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Atomen widerspiegelt, berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Zwei-Zentren-Ionen-Stoßionisation die Gesamtelektronenemission deutlich steigern kann und dass relativistische Effekte, verursacht durch eine hohe Stoßgeschwindigkeit, die Winkelverteilung der emittierten Elektronen stark beeinflussen können, während Retardierungseffekte weitgehend vernachlässigbar sind. Der zweite Prozess ist die resonante Zwei-Zentren-Photoionisation (2CPI), die in einem diatomaren System auftritt, das einem schwachen Laserfeld ausgesetzt ist, und welche die resonante Photoanregung eines der Atome mit seiner anschließenden Abregung durch effiziente Energieübertragung auf das andere Atom, welches daraufhin ionisiert wird, einschließt. Dieser Prozess, dessen hohe Effizienz in schwach gebundenen Systemen in Experimenten mit Ne--He Dimeren und Ar-Ne Clustern bestätigt wurde, wurde theoretisch in langsamen atomaren Stößen untersucht, wenn der interatomare Energietransfer durch den Austausch virtueller Photonen erfolgt. In dieser Arbeit erweitern wir die Theorie von 2CPI in Stößen, indem wir den relativistischen Retardierungseffekt berücksichtigen, sodass der Energietransfer auch durch den Austausch realer Photonen auftreten kann, was die effektive Wechselwirkungsreichweite dramatisch erhöht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein solcher Ansatz für 2CPI in Stößen diesen Prozess erheblich modifizieren und seine Reaktionsrate stark erhöhen kann. Teil II dieser Arbeit umfasst eine Anwendung von interatomarem Energietransfer in der Antimateriephysik und untersucht Bindungsmechanismen für die Erzeugung wesentlicher Mengen des positiven Antiwasserstoffions $\bar{\text{H}}^+$ im Hinblick auf die derzeit am CERN geplanten Experimente zum freien Fall von Antiwasserstoff $\bar{\text{H}}$. Wir führen eine vergleichende Studie verschiedener radiativer und nicht-radiativer Bindungsmechanismen für die Bildung von $\bar{\text{H}}^+$ durch, wobei der Fokus auf jenen Mechanismen liegt, die durch den effizienten Transfer positronischer Energie über langreichweitige Positron-Elektron-Korrelationen in Systemen von in Materie eingebetteter Antimaterie ermöglicht werden. Bei dem Zwei-Zentren dileptonischen Einfang (2CDA) wird ein Positron, das auf $\bar{\text{H}}$ auftrifft, an $\bar{\text{H}}$ gebunden, indem Energie resonant auf ein benachbartes (Materie-)Atom übertragen wird, welches daraufhin angeregt wird und durch spontanen radiativen Zerfall relaxiert. Bei dem elektronenunterstützten Dreikörpereinfang (3BAe) treffen ein freies Positron und Elektron auf $\bar{\text{H}}$ und das Positron wird durch effiziente Energieübertragung auf das Elektron an $\bar{\text{H}}$ gebunden, was mit einer Erhöhung der kinetischen Energie des Elektrons einhergeht. Unsere Ergebnisse implizieren insbesondere, dass für relativ niedrige Positronenenergien $\lesssim 0.1$ eV (typisch für aktuelle Antimaterieexperimente) der 3BAe Prozess den 2CDA Prozess deutlich übertrifft, wohingegen bei größeren Energien $\simeq 1$ eV der 2CDA Prozess den 3BAe Prozess stark dominieren kann. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 24.07.2023 | |||||||
| Dateien geändert am: | 24.07.2023 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 09.05.2023 | |||||||
| Datum der Promotion: | 12.07.2023 |
