Schwinger gräns

Ett Feynman-diagram ( boxdiagram ) för foton–fotonspridning; en foton sprids från de transienta vakuumladdningsfluktuationerna hos den andra.

Inom kvantelektrodynamik (QED) är Schwinger-gränsen en skala över vilken det elektromagnetiska fältet förväntas bli olinjärt . Gränsen härleddes först i en av QED:s tidigaste teoretiska framgångar av Fritz Sauter 1931 och diskuterades vidare av Werner Heisenberg och hans elev Hans Heinrich Euler . Gränsen är dock vanligen benämnd i litteraturen för Julian Schwinger , som härledde de ledande olinjära korrektionerna till fälten och beräknade hastigheten för elektron-positronparproduktion i ett starkt elektriskt fält. Gränsen rapporteras vanligtvis som ett maximalt elektriskt fält eller magnetfält före olinjäritet för vakuumet av

$E_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{ 3}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 1.32\ gånger 10^{18}\,\mathrm {V} /\mathrm {m}$

$B_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{2}}{q_{\text{e} }\hbar }}\simeq 4.41\times 10^{9}\,\mathrm {T} ,$

där m _{e är} elektronens massa , c är ljusets hastighet i vakuum, q _e är den elementära laddningen och ħ är den reducerade Planck-konstanten . Det är enorma fältstyrkor. Ett sådant elektriskt fält kan accelerera en proton från vila till den maximala energi som protoner uppnår vid Large Hadron Collider på endast cirka 5 mikrometer. Det magnetiska fältet är associerat med dubbelbrytning av vakuumet och överskrids på magnetarer .

I vakuum är de klassiska Maxwells ekvationer perfekt linjära differentialekvationer . Detta innebär – enligt superpositionsprincipen – att summan av två valfria lösningar på Maxwells ekvationer är en annan lösning på Maxwells ekvationer. Till exempel bör två skärande ljusstrålar helt enkelt lägga ihop sina elektriska fält och passera rakt igenom varandra. Således förutsäger Maxwells ekvationer omöjligheten av någon annan än trivial elastisk foton-fotonspridning . I QED blir emellertid icke-elastisk foton-fotonspridning möjlig när den kombinerade energin är tillräckligt stor för att skapa virtuella elektron-positronpar spontant, vilket illustreras av Feynman-diagrammet i den intilliggande figuren. Detta skapar olinjära effekter som ungefär beskrivs av Euler och Heisenbergs olinjära variant av Maxwells ekvationer .

En enda plan våg är otillräcklig för att orsaka icke-linjära effekter, även i QED. Det grundläggande skälet till detta är att en enda plan våg av en given energi alltid kan ses i en annan referensram , där den har mindre energi (samma är fallet för en enskild foton). En enda våg eller foton har inte en rörelsecentrumram där dess energi måste ha ett minimalt värde. Två vågor eller två fotoner som inte rör sig i samma riktning har dock alltid en minimal kombinerad energi i sin rörelsecentrumram, och det är denna energi och de elektriska fältstyrkorna som är förknippade med den, som bestämmer skapandet av partikel-antipartiklar, och associerade spridningsfenomen.

Foton–fotonspridning och andra effekter av icke-linjär optik i vakuum är ett aktivt område av experimentell forskning, med nuvarande eller planerad teknik som börjar närma sig Schwinger-gränsen. Det har redan observerats genom oelastiska kanaler i SLAC -experiment 144. De direkta effekterna i elastisk spridning har dock inte observerats. Från och med 2012 tillhörde den bästa begränsningen för det elastiska foton- fotonspridningstvärsnittet PVLAS , som rapporterade en övre gräns långt över den nivå som förutspåtts av standardmodellen .

Förslag gjordes för att mäta elastisk ljus-för-ljusspridning med hjälp av de starka elektromagnetiska fälten från de hadroner som kolliderade vid LHC . 2019 ATLAS-experimentet vid LHC den första definitiva observationen av foton-fotonspridning, observerad i blyjonkollisioner som producerade fält så stora som 10 ²⁵ V/m , långt över Schwingergränsen. Observation av ett tvärsnitt som är större eller mindre än det som förutspås av standardmodellen kan betyda ny fysik som axioner , vars sökning är det primära målet för PVLAS och flera liknande experiment. ATLAS observerade fler händelser än förväntat, potentiellt bevis på att tvärsnittet är större än vad som förutspås av standardmodellen, men överskottet är ännu inte statistiskt signifikant.

Den planerade, finansierade ELI -Ultra High Field Facility, som kommer att studera ljus vid intensitetsgränsen, kommer sannolikt att förbli långt under Schwinger-gränsen även om det fortfarande kan vara möjligt att observera vissa olinjära optiska effekter. Station of Extreme Light (SEL) är en annan laseranläggning under uppbyggnad som bör vara tillräckligt kraftfull för att observera effekten. Ett sådant experiment, där ultraintensivt ljus orsakar parproduktion, har i populära medier beskrivits som att skapa ett " bråck " i rymdtiden.

Se även

• Julian Schwinger
• Schwinger effekt
• Sokolov-Ternov-effekt
• Vakuumpolarisering