German Title: Multi-Photonen-Erzeugung und Ein-Photon-Vernichtung von Elektron-Positron-Paaren

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Abstract

In dieser Arbeit werden die quantenelektrodynamischen Prozesse der Elektron-Positron Paarerzeugung durch Multiphotonen-Absorption und der Elektron-Positron Annihilierung in ein einzelnes Photon untersucht. Die Paarproduktion erfolgt in der Kollision eines relativistischen Elektrons mit einem intensiven Laserstrahl und wird im Rahmen der Quantenelektrodynamik in externen Laserfeldern beschrieben. Für die in diesem Prozess auftretenden Resonanzen wird auf systematische Weise eine Regularisierungsmethode entwickelt. Wir berechnen totale Produktionsraten, Positronenspektren und die relativen Beiträge der relevanten Reaktionskanäle in verschiedenen Wechselwirkungsbereichen. Unsere Ergebnisse stimmen gut mit vorliegenden experimentellen Daten vom SLAC überein und erlauben eine tiefergehende Interpretation der Messergebnisse. Außerdem untersuchen wir den Paarproduktionsprozess in einem manifest nichtperturbativen Regime, welches in zukünftigen Experimenten auf der Basis von Laserbeschleunigung realisiert werden könnte. Die Elektron-Positron Annihilierung in ein einzelnes Photon geschieht in Anwesenheit eines zweiten Zuschauer-Elektrons, das den Rückstoß aufnimmt. Verschiedene kinematische Konfigurationen der drei Teilchen im Anfangszustand werden detailliert untersucht. Unter bestimmten Bedingungen besitzt das emittierte Photon charakteristische Winkelverteilungen und Polarisationseigenschaften, welche die Beobachtung des Effekts erleichtern können. Für ein relativistisches Elektron-Positron Plasma im thermischen Gleichgewicht zeigen wir, dass die Zerstrahlung in ein Photon bei Plasma-Temperaturen oberhalb 3 MeV zu dominieren beginnt. Derartige Mehrteilchen-Korrelationseffekte sind somit für die Dynamik sehr dichter Elektron-Positron Plasmen von wesentlicher Bedeutung.

Translation of abstract (English)

In this thesis we study multi-photon electron-positron pair production in a trident process, and single-photon electron-positron pair annihilation in a triple interaction. The pair production is considered in the collision of a relativistic electron with a strong laser beam, and calculated within the theory of laser-dressed quantum electrodynamics. A regularization method is developed systematically for the resonance problem arising in the multi-photon process. Total production rates, positron spectra, and relative contributions of different reaction channels are obtained in various interaction regimes. Our calculation shows good agreement with existing experimental data from SLAC, and adds further insights into the experimental findings. Besides, we study the process in a manifestly nonperturbative domain, whose accessibility to future all-optical experiments based on laser acceleration is shown. In the single-photon electron-positron pair annihilation, the recoil momentum is absorbed by a spectator particle. Various kinematic configurations of the three incoming particles are examined. Under certain conditions, the emitted photon exhibits distinct angular and polarization distributions which could facilitate the detection of the process. Considering an equilibrium relativistic electron-positron plasma, it is found that the single-photon process becomes the dominant annihilation channel for plasma temperatures above 3 MeV. Multi-particle correlation effects are therefore essential for the electron-positron dynamics at very high density.