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Nonlinear quantum electrodynamic and electroweak processes in strong laser fields

Meuren, Sebastian

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Download (12MB) | Lizenz: Creative Commons LizenzvertragNonlinear quantum electrodynamic and electroweak processes in strong laser fields von Meuren, Sebastian steht unter einer Creative Commons Attribution-NoDerivatives 3.0 Germany

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Abstract

Various nonlinear electrodynamic and electroweak processes in strong plane-wave laser fields are considered with an emphasis on short-pulse effects. In particular, the momentum distribution of photoproduced electron-positron pairs is calculated numerically and a semiclassical interpretation of its characteristic features is established. By proving the optical theorem, compact double-integral expressions for the total pair-creation probability are obtained and numerically evaluated. The exponential decay of the photon wave function in a plane wave is included by solving the Schwinger-Dyson equations to leading-order in the quasistatic approximation. In this respect, the polarization operator in a plane wave is investigated and its Ward-Takahashi identity verified. A classical analysis indicates that a photoproduced electron-positron pair recollides for certain initial conditions. The contributions of such recollision processes to the polarization operator are identified and calculated both analytically and numerically. Furthermore, the existence of nontrivial electron-spin dynamics induced by quantum fluctuations is verified for ultra-short laser pulses. Finally, the exchange of weak gauge bosons is considered, which is essential for neutrino-photon interactions. In particular, the axial-vector--vector coupling tensor is calculated and the so-called Adler-Bell-Jackiw (ABJ) anomaly investigated.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit betrachtet verschiedene nichtlineare elektrodynamische und elektroschwache Prozesse, die in starken Laserfeldern auftreten können; ein Schwerpunkt liegt auf Kurzpulseffekten. Insbesondere erfolgt eine numerische Berechnung der Impulsverteilung für photonenproduzierte Elektron-Positron-Paare und eine semiklassische Interpretation ihrer charakteristischen Eigenschaften. Durch den Beweis des optischen Theorems ergibt sich eine kompakte Doppelintegraldarstellung für die totale Paarerzeugungswahrscheinlichkeit, die numerisch ausgewertet wird. Die Einbeziehung des exponentiellen Zerfalls der Photonenwellenfunktion in einer ebenen Welle erfolgt durch Lösen der Schwinger-Dyson-Gleichungen in führender Ordnung unter Anwendung der quasistatischen Näherung. In diesem Zusammenhang wird der Polarisationsoperator für eine ebene Welle untersucht und seine Ward-Takahashi-Identität überprüft. Eine klassische Analyse zeigt, dass photonenproduzierte Elektron-Positron-Paare unter bestimmten Bedingungen rekollidieren können. Die auf solche Rekollisionen zurückführbaren Beiträge zum Polarisationsoperator werden identifiziert und sowohl analytisch als auch numerisch berechnet. Darüber hinaus wird die Existenz einer nicht-trivialen Dynamik des Elektronenspins in ultrakurzen Laserpulsen nachgewiesen, die auf Quantenfluktuationen zurückzuführen ist. Abschließend erfolgt eine Betrachtung des Austauschs von schwachen Eichbosonen, der für Neutrino-Photon Wechselwirkungen essenziell ist. Insbesondere wird der Tensor, welcher die Kopplung zwischen dem Axialvektor- und dem Vektorstrom beschreibt, berechnet und die sogenannte Adler-Bell-Jackiw (ABJ) Anomalie untersucht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Honorarprof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 24 June 2015
Date Deposited: 01 Jul 2015 09:04
Date: 2015
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
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