Dokument: Elektron-Positron-Paarproduktion und relativistische Ionisation in starken elektromagnetischen Feldern

Titel:	Elektron-Positron-Paarproduktion und relativistische Ionisation in starken elektromagnetischen Feldern
Weiterer Titel:	Electron-positron pair production and relativistic ionization in strong electromagnetic fields
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69083
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250320-083001-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Eckey, Alexandra [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,15 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.03.2025 / geändert 19.03.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Dr. Carsten Müller [Gutachter] Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die neuesten technologischen Fortschritte eröffnen die Möglichkeit, intensive Laserstrahlung einzusetzen, sodass relativistische Effekte bei Starkfeldprozessen berücksichtigt werden müssen. Dies bringt eine Vielzahl neuer Effekte aber auch Prozesse mit sich. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene theoretische Beschreibungen zur Elektron-Positron-Paarproduktion und relativistischen Ionisation in starken elektromagnetischen Feldern für unterschiedliche Feldkonfigurationen dargestellt. Entsprechend gliedert sich diese Arbeit in zwei Teile. Zunächst werden die zwei relativistischen Prozesse der Ionisation und der gebunden-freien Paarproduktion in einem konstanten gekreuzten elektromagnetischen Feld betrachtet. Die Übergangsamplitude wird dabei im Rahmen der Starkfeldnäherung in der Göppert-Mayer-Eichung formuliert, wobei die Anfangs- und Endzustände der Elektronen bzw. Positronen durch die entsprechenden Dirac-Coulomb- bzw. Dirac-Volkov-Wellenfunktionen beschrieben werden. Für beide Prozesse werden Coulomb-Korrekturen für die Elektronenbewegung während des Tunnelns bestimmt, welche durch Anpassung der etablierten Methode der imaginären Zeit ermittelt werden. Die Gesamtraten werden für diese Prozesse berechnet und mit Vorhersagen anderer Theorien in einem breiten Bereich von atomaren Ordnungszahlen und angelegten Feldstärken verglichen. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Breit-Wheeler-Paarproduktionsprozess beim Stoß von Gamma-Photonen aus Bremsstrahlung mit hochintensiven Laserpulsen. Dabei wird zunächst der Einfluss des breiten Frequenzspektrums der Bremsstrahlung auf die Eigenschaften des Prozesses im Übergangsbereich zwischen dem perturbativen und nicht-perturbativen Wechselwirkungsregime untersucht. Insbesondere werden dabei neben der Gesamtrate des Prozesses auch die Energie- und Winkelverteilungen der erzeugten Teilchen betrachtet. Durch den Wechsel der Regime ist eine kontinuierliche Verschiebung des hauptsächlich beitragenden Intervalls der Bremsstrahlungsfrequenzen zu verzeichnen und es zeigen sich charakteristische Signaturen der gedressten Masse. Für die theoretische Beschreibung des Prozesses werden sowohl unendlich ausgedehnte monochromatische Laserwellen verwendet, als auch endlich gepulste ebene Wellen, welche im Zuge der lokal monochromatischen Approximation betrachtet werden. Eine weitere Untersuchung des Breit-Wheeler-Prozesses beschäftigt sich mit dem Einfluss der Laserfokussierung, Strahlungsdämpfung und Bremsstrahlung auf die Paarproduktionsspektren im nicht-perturbativen Regime, insbesondere auf die Energie- und Winkelverteilungen. Die Parameter dieser Betrachtung sind an zukünftige Experimente angelehnt. Für das betrachtete Regime lässt sich zeigen, dass die Strahlungsdämpfung zu einem schmalen Energiespektrum der erzeugten Teilchen führt, dessen Maximum im Vergleich zu dem Fall, in dem Strahlungsverluste außer Acht gelassen werden, zu wesentlich niedrigeren Energien verschoben ist. Das breite Bremsstrahlungsspektrum nimmt ebenfalls einen starken Einfluss auf die Spektren der erzeugten Paare. Die Laserfokussierung hat im Gegensatz dazu für die hier betrachteten Parameter einen eher gemäßigten Einfluss. The latest technological advances open up the possibility of using intense laser radiation, so that relativistic effects must be taken into account in strong-field processes. This opens up a variety of new effects and processes. In the present work, different theoretical descriptions of electron-positron pair production and relativistic ionization in strong electromagnetic fields are presented for different field configurations. Accordingly, this work is divided into two parts. First, the two relativistic processes of ionization and bound-free pair production in a constant crossed electromagnetic field are considered. The transition amplitude is calculated using the strong-field approximation in the Göppert-Mayer gauge, where the Dirac-Coulomb and Dirac-Volkov wave functions are used as initial and final states of the electrons and positrons. For both processes, Coulomb corrections for the electron motion during tunneling are determined by adapting the established method of imaginary time. The total rates are determined for these processes and compared with predictions of other theories across a wide range of applied field strengths and atomic numbers. The second part of the thesis deals with Breit-Wheeler pair production. First, the broad frequency spectrum of the bremsstrahlung is examined for its effect on the properties of the process in the perturbative-to-nonperturbative-transition regime. In particular, the energy and angular distributions of the generated particles are considered in addition to the total yield of the process. Furthermore, we show that by changing the regimes, a continuous shift of the main contributing interval of the bremsstrahlung frequencies can be found and show distinctive characteristics of the laser-dressed mass. For this investigation, both infinitely extended monochromatic laser waves and finite plane-wave laser pulses are used, which are considered in the course of the locally monochromatic approximation. A further investigation of the Breit-Wheeler process deals with the combined influence of laser focusing, radiation reaction and bremsstrahlung on the pair production spectra in the non-perturbative regime. The parameters of this study are based on future experiments. The focus of this theoretical study lies again on the influence of these specific reaction characteristics regarding the energy and angular distributions of the produced pairs. It can be shown that radiation reaction in particular leads to a narrow energy spectrum of the generated particles. Its maximum is shifted to significantly lower energies compared to the case in which radiation losses are disregarded. The broad bremsstrahlung spectrum also has a strong impact on the spectra of the generated pairs. In contrast, laser focusing has a rather moderate influence on the spectra for the considered parameters.
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:	20.03.2025
Dateien geändert am:	20.03.2025
Promotionsantrag am:	07.01.2025
Datum der Promotion:	05.03.2025