Dokument: Quantum Electrodynamics in Strong-Field Interactions: Simulation Tools towards Future Experiments
| Titel: | Quantum Electrodynamics in Strong-Field Interactions: Simulation Tools towards Future Experiments | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65629 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240426-110612-6 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Filipovic, Marko [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter] Prof. Dr. Dr. Carsten Müller [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | The swift progress of high-intensity lasers has opened new avenues for exploring light-matter interactions, particularly in the field of quantum electrodynamics (QED). High-intensity laser-plasma interactions provide an ideal platform for probing QED processes as they generate strong electromagnetic fields and facilitate ultra-relativistic particle acceleration. This research utilises particle-in-cell (PIC) code simulations to investigate QED phenomena under such conditions, focusing on three distinct studies involving intense fields to prepare future experiments.
The first part of the research presents a Maxwell solver improving one-dimensional field propagation simulations. It is demonstrated that the solver effectively suppresses the numerical Cherenkov instability while minimizing energy losses and self-interactions in the propagation of an ultra-relativistic electron bunch. In a next step, the radiation reaction force, typically encountered in strong fields, is introduced. The influence of the force will be discussed in regards of energy losses and beam dynamics. The second part examines QED effects in the collision of electron bunches with laterally shifted propagation axes. Due to the shift a higher number of electrons experience the strong field of the counter-propagating beam. The configuration yields higher $\gamma$-photon emission and a subsequent higher number of decays into electron-positron pairs. However, fewer particles reach the conjectured nonperturbative QED regime, which is currently not experimentally feasible. The third part proposes an experimental setup for future QED investigations. This design incorporates two linearly polarized lasers, which approach a solid-state target under a small angle. Due to the small angle electrons are extracted and accelerated from the surface. As electrons reach the intersection of the laser propagation axes, they engage with counter-propagating beams, potentially leading to a QED cascade under strong field conditions. Subsequently, the study investigates the influence of various parameters on particle spectra and yields, focusing on the intensity of the lasers and the angle between the target and the laser.Der rasche Fortschritt in der Entwicklung von Hochintensitätslasern hat neue Wege zur Erforschung der Licht-Materie-Wechselwirkung erschlossen, insbesondere im Bereich der Quantenelektrodynamik (QED). Hochintensive Laser-Plasma-Interaktionen bieten eine ideale Plattform für die Untersuchung von QED Prozessen, da sie starke elektromagnetische Felder generieren und die ultra-relativistische Beschleunigung von Teilchen ermöglichen. Diese Forschungsarbeit nutzt Simulationen mit Hilfe eines Particle-in-Cell (PIC)-Code, um QED Phänomene unter solchen Bedingungen zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf drei verschiedenen Studien liegt, die intensive Felder nutzen, um zukünftige Experimente vorzubereiten. Der erste Teil der Forschung stellt einen verbesserten Maxwell-Solver für Simulationen mit eindimensionaler Feldausbreitung vor. Es wird demonstriert, dass der Solver die numerische Tscherenkow-Instabilität effektiv unterdrückt, während er gleichzeitig Energieverluste und Selbstinteraktionen bei der Ausbreitung eines ultra-relativistischen Elektronenbündels minimiert. In einem nächsten Schritt wird die Strahlungsrückwirkungskraft hinzugefügt, die typischerweise in starken Feldern auftritt. Der Einfluss der Kraft wird hinsichtlich Energieverlusten und Teilchen-Dynamiken diskutiert. Der zweite Teil befasst sich mit der Untersuchung von QED Effekten beim Zusammenstoß von Elektronenbündel, deren Ausbreitungsachsen zueinander transversal verschoben sind. Aufgrund der transversalen Verschiebung sind mehr Elektronen dem starken Feld des entgegenlaufenden Strahls ausgesetzt. Diese Konfiguration resultiert in einer erhöhten $\gamma$-Photonenemission und in der Folge in einer angestiegene Anzahl an Zerf\"allen in Elektron-Positron-Paare. Allerdings erreichen weniger Teilchen das postulierte nicht-perturbative QED-Regime, welches derzeit experimentell nicht realisierbar ist. Der dritte Teil schlägt eine experimentelle Anordnung für zukünftige QED Untersuchungen vor. Dieses Design beinhaltet zwei linear polarisierte Laser, die einem Festkörper unter einem kleinen Winkel nähern und Elektronen aus dem Körper extrahieren und beschleunigen. Wenn die Elektronen den Schnittpunkt der Ausbreitungsachsen der Laser erreichen, interagieren sie mit den entgegenlaufenden Feldern, was potenziell zu einer QED Kaskade unter starken Feldbedingungen führen kann. Nachfolgend untersucht die Studie den Einfluss verschiedener Parameter auf die Partikelspektren und -ausbeuten, wobei der Schwerpunkt auf dem Winkel zwischen dem Festkörper und dem Laser sowie der Intensität der Laser liegt. | |||||||
| 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: | 26.04.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 26.04.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 19.12.2023 | |||||||
| Datum der Promotion: | 23.04.2024 |
