Wechselwirkung bei extrem hohen Dichten der elektromagnetischen Energie und QED Prozesse in super-kritischen Feldern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die nächsten Grenzen der Laserintensität werden mit leistungsstarken Laseranlagen erreicht, die derzeit weltweit gebaut werden, darunter die European Extreme Light Infrastructure (ELI), der POLARIS-Laser in Dresden-Rossendorf (Deutschland) und ), und ein 100-PetaWatt Laser in Shanghai (China). Gleichzeitig sind bei DESY (Hamburg, Deutschland) als Teil des XFEL und in der FACET-Anlage (Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests) am SLAC (Stanford, USA) bereits Multi-GeV-Linearelektronencollider in Betrieb. Diese Collider sollen bald mit leistungsstarken optischen Femtosekundenlasern kombiniert werden. Spektakuläre Fortschritte sowohl in der Lasertechnologie als auch in konventionellen sowie plasmabasierten Teilchenbeschleunigungsmethoden eröffnen einzigartige Möglichkeiten für die experimentelle Erforschung von Effekten der Quantenelektrodynamik intensiver Felder (IFQED), einschließlich weitgehend unerforschter Phänomene wie Strahlungskorrekturen höherer Ordnung. In elektromagnetischen Feldern, die stark genug sind, dass ihre Intensität im eigentlichen Referenzrahmen eines ultrarelativistischen Teilchens den Schwingerkritischen Wert um einen Faktor von bis zu 1000 übersteigt, werden Strahlungskorrekturen höherer Ordnung signifikant. Von besonderem Interesse ist die vorgeschlagene mittelfristige Aufrüstung der FACET-II-Anlage, die darauf abzielt, einen extremen, hochmodernen Kollisionsstrahlaufbau mit 100-GeV-Elektron-Positron-Bündeln zu schaffen, die Megaampere-Ströme führen und bis auf die Nanometerskala fokussiert sind. Zum ersten Mal wird die Bündeldichte am Interaktionspunkt die Compton-Dichte überschreiten und ein neuartiges Regime einleiten, das extrem hohe Leptonenergien mit extremen Dichten und selbsterzeugten Feldern kombiniert. Es fehlt jedoch noch ein umfassender theoretischer Rahmen zur Beschreibung dieses Regimes. Das Ziel unseres Vorschlags war es, sowohl die Theorie als auch die Modellierung dieses überkritischen IFQED-Regimes zu entwickeln. Wir haben dieses Regime in zwei Kontexten untersucht: (i) die Wechselwirkung von gegenläufigen Hochstrom-Elektronen- und Positronenstrahlen, (ii) die Wechselwirkung von extrem intensiven elektromagnetischen Impulsen mit ultrarelativistischen Elektronenstrahlen, (iii) die Wechselwirkung von ultraintensiven elektromagnetischen Impulsen mit festen Zielen. Der quantendynamische Parameter – der die Feldstärke im Ruhesystem eines Teilchens mit dem kritischen QED-Feld in Beziehung setzt – wurde als viel größer als eins angenommen, wodurch ein stark überkritisches Regime erreicht wird, in dem Strahlungskorrekturen höherer Ordnung berücksichtigt werden müssen. Wir haben die Wahrscheinlichkeiten grundlegender IFQED-Prozesse in diesem Regime berechnet, was eine erhebliche Neubewertung bestehender theoretischer und Simulationsansätze erfordert. Die Analyseergebnisse wurden in numerische Modelle und QED-PIC-Codes, insbesondere VLPL und QUILL, integriert, die von deutschen bzw. russischen Teams entwickelt wurden. Diese modifizierten Codes haben Laserstrahl-, Strahl-Strahl- und Laser-Ziel- Wechselwirkungen im überkritischen Regime simuliert, was für zukünftige Hochstrom- Leptonencollider und extrem intensive Laserimpulse relevant ist. Es wurden praktikable experimentelle Szenarien zur Realisierung dieses Regimes modelliert und diskutiert, darunter Strahlkollisionen bei FACET-II und Wechselwirkungen hochenergetischer Teilchen mit ultrastarken Attosekundenlaserpulsen. Diese Ergebnisse sind auch für die Astrophysik von erheblichem Interesse, da bestimmte Phänomene die Annahme überkritischer Magnetfelder und Wechselwirkungen ultrarelativistischer Jets erfordern. Unsere Forschung, die IFQED und die Modellierung nichtlinearer Prozesse in ultrarelativistischen Plasmen verbindet, ist einzigartig und trägt zur internationalen Spitze auf diesem Gebiet bei.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Beamstrahlung-enhanced disruption in beam–beam interaction. New Journal of Physics, 23(10), 103040.
Samsonov, A. S.; Nerush, E. N.; Kostyukov, I. Yu; Filipovic, M.; Baumann, C. & Pukhov, A.
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Effect of transverse displacement of charged particle beams on quantum electrodynamic processes during their collision. Quantum Electronics, 51(9), 807-811.
Filipovic, M.; Baumann, C.; Pukhov, A.M.; Samsonov, A.S. & Kostyukov, I.Yu.
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On the robustness of spin polarization for magnetic vortex accelerated proton bunches in density down-ramps. Plasma Physics and Controlled Fusion, 63(8), 085011.
Reichwein, L.; Hützen, A.; Büscher, M. & Pukhov, A.
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Acceleration of spin-polarized proton beams via two parallel laser pulses. Physical Review Accelerators and Beams, 25(8).
Reichwein, Lars; Pukhov, Alexander & Büscher, Markus
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QED effects at grazing incidence on solid-state targets. The European Physical Journal D, 76(10).
Filipovic, Marko & Pukhov, Alexander
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Spin-Polarized Particle Beams from Laser-Plasma Based Accelerators. Journal of Physics: Conference Series, 2249(1), 012018.
Reichwein, L.; Hützen, A.; Büscher, M. & Pukhov, A.
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Suppression of errors in simulated ultrarelativistic bunch propagation using the X-dispersionless Maxwell solver Physical Review Accelerators and Beams 25 (5). Physical Review Accelerators and Beams, 25(5).
Filipovic, M.; Baumann, C. & Pukhov, A.
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Spin-polarized 3He shock waves from a solid-gas composite target at high laser intensities. Plasma Physics and Controlled Fusion, 66(5), 055002.
Reichwein, L.; Shen, X. F.; Büscher, M. & Pukhov, A.
