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Laser-assisted second-order relativistic QED processes : Bremsstrahlung and pair creation modified by a strong electromagnetic wave field

Lötstedt, Erik

German Title: Laser-unterstützte relativistische QED Prozesse zweiter Ordnung : Bremsstrahlung und Paarbildung modifiziert von einem starken elektromagnetischen Wellenfeld

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Abstract

The primary aim of this thesis is to advance the understanding of higher-order laser-assisted relativistic processes within quantum electrodynamics (QED), which necessitates a formulation using fully laser-dressed fermion propagators. This study is motivated by presently available laser sources which routinely produce electromagnetic fields strong enough to accelerate the electron to velocities close to the speed of light. %The light-matter interaction therefore has to be treated by the theory of quantum electrodynamics (QED). The strong laser-matter interaction requires an all-order treatment, different from the perturbative expansion of the usual QED. In this thesis, the influence of a strong laser field on two fundamental processes of QED is studied theoretically. The first process, bremsstrahlung from an electron scattered at the Coulomb potential of a nucleus, is found to show a resonant behavior in the presence of the laser. The cross section is numerically evaluated from the formula resulting from applying the strong-field Feynman rules. The second process, electron-positron pair creation by a gamma photon and a Coulomb field is studied in the case when the laser field strength is below the critical field. Here the total cross section is unchanged by the laser, while the differential cross section is drastically modified. Finally, a detailed study and a novel evaluation algorithm of the generalized Bessel function, a special function occurring naturally in laser-modified QED, is presented.

Translation of abstract (German)

Das primäre Ziel dieser Dissertation ist, das Verständnis von Laser-unterstützten relativistischen Prozessen höherer Ordnungen der Quantenelektrodynamik (QED) zu vertiefen. Dadurch wird eine Formulierung notwendig, die stark Laser-modifizierte fermionische Propagatoren benutzt. Die heute vorliegenden Laserquellen erzeugen routinemäßig elektromagnetische Felder, die stark genug sind, um Elektronen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Im Unterschied zur Störungsentwicklung der gewöhnlichen QED, erfordert die starke Laser-Materie-Kopplung eine Behandlung aller Ordnungen. In dieser Dissertation wird der Einfluss eines starken Laserfelds auf zwei grundlegende Prozesse der QED theoretisch studiert. Der erste Prozess, Bremsstrahlung eines vom Coulombfeld eines Atomkerns gestreuten Elektrons, wird bei Anwesenheit eines Lasers im resonanten Fall berechnet. Der Wirkungsquerschnitt wird numerisch ausgewertet, mit Hilfe einer Formel, die aus den Feynman-Regeln für starke Felder folgt. Der zweite Prozess, Elektron-Positron-Paarbildung von Photon und Coulombfeld, wird für den Fall untersucht, dass die Feldstärke des Lasers kleiner als die kritische Feldstärke ist. Der totale Wirkungsquerschnitt wird dabei nicht vom Laser verändert, während der differentielle Querschnitt drastisch modifiziert wird. Schließlich wird eine detaillierte Studie und ein neuer Algorithmus für die verallgemeinerte Besselfunktion, eine spezielle Funktion, die in Laser-modifizierter QED natürlich vorkommt, präsentiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Prof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 7. May 2008
Date Deposited: 15. May 2008 11:40
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Quantenelektrodynamik, Laser, Bremsstrahlung, Paarerzeugung, Bessel-Funktionen
Uncontrolled Keywords: QED , relativistic laser-matter interaction , electron-positron pair creation , bremsstrahlung
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