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Laser assisted alpha decay

Castañeda Cortés, Héctor Mauricio

German Title: Laser-assistierte Alphazerfall

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Abstract

Excited or short-lived nuclei often decay by emitting alpha particles that are assumed to be preformed inside the nucleus and confined in the nuclear potential well. In this picture, alpha decay refers to the tunneling of the alpha particle through the potential barrier. In this thesis we investigate for the first time how strong laser fields can assist the tunneling of the alpha particle and thus influence the nuclear decay. Generally speaking, laser-assisted alpha decay can be described as laser-assisted tunneling of a quasistationary state, i.e, a slowly decaying state. Our theoretical treatment is developed starting from the complex trajectory formulation of the well-known strong-field approximation used to describe laser-induced ionization. We extend this formulation and develop a method to treat the decay of quasistationary states. The effect of both static and optical and x-ray monochromatic fields on the lifetimes and alpha-particle emission spectra are investigated for a number of alpha-emitting nuclei. We find that even at strong intensities, the laser-induced acceleration of the alpha decay is negligible, ranging from a relative modification in the decay rate of 10^-3 for static fields of electric field strengths of 10^15 V/m, to 10^-8 for strong optical fields with intensities of 10^22 W/cm^2, and to 10^-6 for strong x-ray fields with laser intensities around 10^24 W/cm^2. However, the effect of the external field is visible in the spectrum of emitted alpha particles, leading in the case of optical fields even to rescattering phenomena for intensities approaching 6*10^22 W/cm^2. The dynamics of the alpha particle in laser fields of intensities below the rescattering limit is investigated.

Translation of abstract (German)

Angeregte oder kurzlebige Kerne zerfallen häufig durch die Emission von Alphateilchen. Dabei wird angenommen, dass die Alphateilchen bereits innerhalb des Mutterkerns vorgeformt vorkommen und in dessen Potentialtopf eingeschlossen sind. Der Alphazerfall wird in dieser Vorstellung als das Tunneln des Alphateilchens durch die Potentialbarriere betrachtet. In dieser Dissertation wird zum ersten Mal der Einfluss starker Laserfelder auf das Tunneln von Alphateilchen sowie auf die zugehörigen Alphazerfallsraten untersucht. Ganz allgemein kann der laser-assistierte Alphazerfall als laser-assistiertes Tunneln von quasistationären Zuständen betrachtet werden. Unsere dafür entwickelte theoretische Methode basiert auf der Komplexen-Trajektorien Formulierung der sehr bekannten Strong-Field Approximation, die sonst vor allem für die Beschreibung der laser-induzierten Ionisation verwendet wird. Eine Erweiterung der Methode auf quasistationäre Zustände wird hier implementiert. Die Auswirkungen von sowohl statischen als auch monochromatischen Feldern im optischen und Röntgen Bereich auf die Kernlebensdauer und Emissionsspektren werden für eine Auswahl von alpha-zerfallenden Kernen untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass selbst für sehr starke Laserintensitäten die Zunahme des Zerfalls vernachlässigbar ist. Die relative Änderung befindet sich in einer Größenordnung von 10^-3 für statische Felder mit elektrischen Feldstärken von 10^15 V/m, von bis zu 10^-8 für optische Felder mit Laserintensitäten von 10^22 W/cm^2, bzw. von 10^-6 für Röntgen Felder mit Laserintensitäten von 10^24 W/cm^2. Dennoch hat der Laser einen großen Einfluss auf das Spektrum der Alphateilchen. Insbesondere kann es für starke Laserfelder mit optischen Frequenzen und Intensitäten von ca. 6*10^22 W/cm^2 zur Rückstreuung der getunnelten Teilchen mit Potentialbarriere kommen. Die Dynamik des Alphateilchens in Laserfeldern mit Intensitäten unterhalb des RückstreuGrenzfalles wird untersucht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Prof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 1. February 2012
Date Deposited: 23. Feb 2012 11:54
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: alpha decay , imaginary time method , multiphoton regime , strong field approximation , tunneling , semiclassical methods
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