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Vacuum Polarisation Effects in Intense Laser Fields

King, Benjamin John

German Title: Vakuumpolarisationseffekte in starken Laserfelden

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Abstract

Polarisation of the vacuum by an external electromagnetic field is predicted to lead to an array of non-linear processes. In light of upcoming laser facilities that will access intensity ranges orders of magnitude above current limits, the continued study of vacuum polarisation effects is both necessary and timely. By considering how photons from a probe laser field are scattered by two ultra-intense laser beams, we present a novel experimental scenario in which interference effects separate the vacuum signal from the probe background. By placing emphasis on experimental considerations, we demonstrate a realistic arrangement that could be used to observe, for the first time, real, elastic, photon-photon collisions. In doing so, we also show how strong-field lasers can in principle be used to generate a double-slit experiment consisting entirely of light. Moreover, such a set-up is also shown to modestly increase vacuum birefringence and dichroism over traditional two-beam collisions. We complement this by expounding an original theoretical method that incorporates both finite temperature and vacuum polarisation in a common setting. By employing this method on the case of a constant crossed field, we calculate the resulting change in the pressure of the vacuum in an external field.

Translation of abstract (German)

Die Polarisation des Vakuums durch ein externes elektromagnetisches Feld ist gemäß theoretischer Vorhersagen die Ursache verschiedener nichtlinearer Prozesse. Angesichts zukünftiger Laseranlagen mit Intensitätsbereichen, die um Größenordnungen jenseits der heutigen experimentellen Grenzen liegen, wird eine konkrete Untersuchung von Vakuumpolarisationseffekten erforderlich. Anhand der Streuung von Photonen eines Probelichtstrahls an zwei ultrastarken Laserstrahlen beschreiben wir ein neues experimentelles Szenario, in dem das Vakuumsignal durch Interferenzeffekte vom Probehintergrund getrennt werden kann. Durch die Betonung experimenteller Aspekte stellen wir ein realistisches Szenario vor, mit dem man erstmals eine reelle, elastische Photon-Photon-Streuung beobachten könnte. Dadurch zeigen wir außerdem, wie man prinzipiell mit starken Laserstrahlen einen Doppelspalt aufbauen kann, der ausschließlich aus Licht besteht. Darüber hinaus weisen wir nach, dass ein solcher Aufbau die Erwartungswerte der Vakuum-Doppelbrechung und des Dichroismus im Vergleich zu konventionellen Zweistrahl-Stoßexperimenten erhöht. Dies wird durch eine theoretische Methode ergänzt, die sowohl eine endliche Temperatur als auch die Vakuumpolarisation gemeinsam beschreibt. Indem wir diese Methode auf den Fall eines sogenannten "constant crossed" Feldes anwenden, berechnen wir, wie sich der thermische Vakuumdruck unter dem Einfluss dieses externen Feldes ändert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Prof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 2. June 2010
Date Deposited: 19. Jul 2010 13:04
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Uni-externe Einrichtungen
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Heidelberg / Max-Planck-Institut für Kernphysik, Elektrodynamik, Nichtlineare Elektrodynamik, Relativistische Elektrodynamik, Vakuumpolarisation
Uncontrolled Keywords: lasers , vacuum polarisation , physics , electrodynamics , strong fields
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