Elektron-Positron-Paarerzeugung

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Müller; Professor Dr. Hartmut Ruhl
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392856280

Treffen ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, aufeinander, können sie zu reiner elektromagnetischer Energie in Form zweier Photonen zerstrahlen. Dies ist ein dramatisches Beispiel der Einstein‘schen Äquivalenz von Masse und Energie. Auch der umgekehrte Prozess ist prinzipiell möglich: Wenn Photonen miteinander kollidieren, können sie ihre Energie in Masse umwandeln in Gestalt eines Elektron-Positron-Paares. Dieser fundamentale Quantenprozess der Materialisierung von Photonen, benannt nach Breit und Wheeler, konnte bislang im Experiment jedoch noch nicht direkt beobachtet werden, da die Anforderungen zum Erhalt eines detektierbaren Signals sehr hoch sind. Dank der immer weiter fortschreitenden Entwicklung von Hochintensitätslasern wendet sich diese Situation aktuell ins Positive. Schickt man einem hochintensiven optischen Laserpuls einen Strahl hochfrequenter (z.B. Bremsstrahlungs-) Photonen entgegen, kann eine Starkfeld-Version des Breit-Wheeler-Prozesses ablaufen: Elektron-Positron-Paare werden in Photon-Multiphotonen-Kollisionen erzeugt. Im relevanten nichtperturbativen Parameterbereich ähnelt der bisher noch unbeobachtete Erzeugungsmechanismus dabei einem feld-induzierten Tunnelprozess, durch den das Quantenvakuum in massive Teilchen zerfällt. Die benötigten Feldintensitäten können allerdings nur durch eine starke Fokussierung der Laserpulse erreicht werden, wodurch diese eine sehr komplizierte raum-zeitliche Struktur erhalten. Im Hinblick auf geplante Experimente ist es das Ziel dieses Projekts, theoretische Vorhersagen für die Breit-Wheeler-Paarproduktion in fokussierten, hochintensiven Laserpulsen zu treffen. Dies stellt eine formidable Herausforderung dar, die eine Kombination verschiedener Methoden erfordert. Zum einen sollen analytische S-Matrix-Rechnungen ausgeführt werden, um sowohl totale Produktionswahrscheinlichkeiten als auch Impulsverteilungen der erzeugten Teilchen zu ermitteln. Zum anderen sollen numerische Simulationen auf Basis einer Vielteilchenbeschreibung des Prozesses über Vlasov-Gleichungen durchgeführt werden. Beide Zugänge können sich gegenseitig sehr gut ergänzen und verstärken. In der zweiten Förderperiode soll außerdem die Paarerzeugung in Kollisionen relativistischer Elektronen bzw. Ionen mit fokussierten Laserpulsen berechnet und ihre Verbindung zum Breit-Wheeler-Prozess untersucht werden.Neben der Überwindung der rechentechnischen Herausforderungen zielt das Projekt auf die Lösung tiefgehender konzeptioneller Fragen ab, z.B. wie Strahlungsrückwirkung in die Beschreibung der Paarproduktion konsistent einbezogen werden kann. Antworten darauf können einen wichtigen Beitrag zu einem verbesserten Verständnis des Quantenvakuums unter extremen Bedingungen leisten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2783: Probing the Quantum Vacuum at the High-Intensity Frontier
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Katarzyna Krajewska