Dokument: Effects of nonlinear quantum electrodynamics on the interaction of extremely intensive laser pulses and high-current beams of ultrarelativistic particles with matter

Titel:	Effects of nonlinear quantum electrodynamics on the interaction of extremely intensive laser pulses and high-current beams of ultrarelativistic particles with matter
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65489
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240415-111710-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Samsonov, Aleksandr [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 7,93 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.04.2024 / geändert 09.04.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter] Prof. Dr. Dr. Müller, Carsten [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Record field strengths are expected to be achieved using multi-petawatt femtosecond lasers or high-current beams of ultrarelativistic particles on the next generation of accelerators in the near future. This will make it feasible to experimentally investigate interaction of matter and strong fields. The nonlinear regime of quantum electrodynamics (QED) can be achieved during such an interaction, leading to manifestation of new effects. These effects, which include, e.g. production of electron-positron pairs, were theoretically predicted a long time ago, although have not yet been observed experimentally. Investigation of the impact of nonlinear QED processes on the behavior of matter is one of the frontiers of theoretical physics nowadays and is far from being complete. In this thesis, we aim to further extend the understanding of processes in strong fields. In the first part of the work, general properties of particle motion under effect of extreme radiation reaction are investigated. It is shown that particles are attracted to some asymptotic trajectories, which can be found from reduced motion equations. One of the implications of such behavior is the periodicity of particle trajectories in a large class of field configurations. This can explain an effect of radiative trapping of particles in a region of strong field. A general method for approximate solution of the motion equations with account of radiation reaction is proposed. Utilizing this method, several known solutions are reproduced. In the second part of the work, a new effect is discovered and described, namely development of self-sustained QED cascade in field of a single plane wave. It is demonstrated that dense electron-positron plasma is able to alter propagation of a strong plane wave. This results in a field configuration, which is favorable for production and multiplication of electron-positron pairs. Ultimately, this leads to a steady expansion of the electron-positron plasma towards the laser radiation until the latter is completely absorbed. It is shown that dense enough electron-positron plasma can be initially produced, e.g. during interaction of an extremely intensive plane wave with a thin stationary solid target. In the third part of the work, impact of QED processes on interaction of high-current beams of ultrarelativistic particles with matter is considered. First, a model for calculation of disruption parameter in beam-beam collision with account of beamstrahlung is developed. Second, an efficient generation of gamma radiation in the interaction of a dense electron beam with a thick plasma target is demonstrated. A model is developed for calculating the efficiency of conversion of the beam energy to the energy of gamma radiation. Finally, an alternative numerical scheme for solving Maxwell's equations on a rectangular grid is developed, which facilitates to sufficiently suppress numerical Cherenkov instability, present in the commonly used schemes. Es wird erwartet, dass mittels Multi-Petawatt-Femtosekunden-Lasern oder ultrarelativistischen Teilchenstrahlen hoher Stromstärke Rekord-Feldstärken in der nächsten Generation an Beschleunigern erzielt werden. Dies wird es möglich machen, experimentell die Wechselwirkung von Materie und starken Feldern zu untersuchen. Das nicht-lineare Regime der Quantenelektrodynamik (QED) kann durch solche Wechselwirkungen erreicht werden, und führt zur Manifestierung neuer Effekte. Diese Effekte, welche z.B. die Produktion von Elektronen-Positronen-Paaren einschließen, wurden vor langer Zeit theoretisch vorhergesagt, aber bislang nicht experimentell beobachtet. Die Untersuchung des Einflusses nicht-linearer QED-Effekte auf das Verhalten von Materie ist Gegenstand aktueller Forschung in der theoretischen Physik und noch lange nicht abgeschlossen. In dieser Dissertation wollen wir das Verständnis dieser Prozesse in starken Feldern erweitern. Im ersten Teil der Arbeit werden generelle Eigenschaften der Teilchen-Bewegung unter dem Einfluss extremer Strahlungsrückwirkung untersucht. Es wird gezeigt, dass die Teilchen sich auf asymptotische Trajektorien hingezogen werden, welche durch die reduzierten Bewegungsgleichungen gefunden werden können. Eine Konsequenz dieses Verhaltens ist die Periodizität der Teilchenbahnen für eine große Klasse an Feld-Konfigurationen. Dies erlaubt eine Erklärung des Strahlungseinfangs von Teilchen in einer Region mit starkem Feld. Eine allgemeine Methode für eine Näherungs-Lösung der Bewegungsgleichungen unter Berücksichtigung der Strahlungsrückwirkung wird vorgestellt. Mithilfe dieser Methode können mehrere bekannte Ergebnisse reproduziert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuer Effekt entdeckt und beschrieben, nämlich die Entwicklung einer selbst-erhaltenden QED-Kaskade im Feld einer einzelnen ebenen Welle. Es wird gezeigt, dass ein dichtes Elektronen-Positronen-Plasma dazu in der Lage ist, die Propagation einer starken ebenen Welle zu verändern. Dies resultiert in einer Feldkonfiguration, welche für die Produktion und Vervielfachung von Elektronen-Positronen-Paaren hilfreich ist. Letztlich führt dies zu einer stetigen Expansion des Elektronen-Positronen-Plasmas in Richtung der Laser-Strahlung bis letztere vollständig absorbiert wird. Es wird gezeigt, dass ein Elektronen-Positronen-Plasma von hinreichender Dichte erzeugt werden kann, z.B. währender der Wechselwirkung einer extrem starken ebene Welle mit einem dünnen, stationären Festkörper-Target. Im dritten Teil der Arbeit wird der Einfluss von QED-Prozessen auf die Wechselwirkung von ultra-relativistischen Teilchenstrahlen hoher Stromstärke mit Materie untersucht. Zunächst wird ein Modell zur Berechnung des Disruption-Parameters in Beam-Beam-Kollisionen unter Berücksichtigung von Beam-Strahlung entwickelt. Zweitens wird gezeigt, dass Gammastrahlung in der Wechselwirkung eines dichten Elektronenstrahls mit einem dicken Plasma-Target effizient erzeugt werden kann. Letztlich wird ein alternatives numerisches Schema zur Lösung der Maxwell-Gleichungen auf einem rechteckigen Gitter entwickelt, welches es erlaubt, die numerische Cherenkov-Instabilität zu unterdrücken, welche in konventionellen Schemata präsent ist.
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:	15.04.2024
Dateien geändert am:	15.04.2024
Promotionsantrag am:	15.11.2023
Datum der Promotion:	09.04.2024