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Numerical studies of pair creation in counterpropagating laser fields

Ruf, Matthias

German Title: Numerische Untersuchung von Paarerzeugung in gegenläufigen Laserfeldern

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Abstract

Pair creation from vacuum induced by electromagnetic fields is probably one of the most intriguing phenomena in physics. If the fields are sufficiently strong, the QED vacuum become unstable. Due to the remarkable progress in laser technology during recent years an experimental investigation of pair creation by pure laser light is coming into reach. The focus of this thesis is on pair creation in counterpropagating laser beams. The pair creation probability is calculated employing the numerically obtained solutions of the Dirac equation. This numerical ansatz has the capability of calculating the momentum distribution of the created pairs in a single propagation, for pure time dependent field configurations. Furthermore, it allows to take the magnetic component of the laser fields into account, which is usually neglected. The latter strongly affects the creation process at high laser frequency. The involved numerical calculations are rather time consuming, therefore the second project of this thesis was to develop a highly efficient code for solving relativistic quantum mechanical problems. This is accomplished by adopting the split-operator method to the Klein-Gordon equation. Here the possibility arises to use parallel computing. However the corresponding spin-statistics becomes crucial in the case of pair creation, demonstrated in several examples.

Translation of abstract (German)

Paarerzeugung aus dem Vakuum durch elektromagnetische Felder ist wahrscheinlich eines der faszinierendsten Phänomene der Physik. Falls die Felder genügend stark sind wird das QED-Vakuum instabil. Infolge des enormen Fortschritts in der Lasertechnologie während der letzten Jahre kommt eine experimentelle Untersuchung rein Laser induzierter Paarerzeugung in Reichweite. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Paarerzeugung in gegenläufigen Laserfeldern. Dabei wird die Erzeugungswahrscheinlichkeit durch die Benutzung numerisch gewonnener Lösungen der Dirac Gleichung berechnet. Falls die Felder rein zeitabhängig sind birgt der numerische Ansatz das Potential die Impulsverteilung der erzeugten Teilchen in einer einzigen Propagation zu erhalten. Darüber hinaus ermöglicht er die Magnetfeldkomponente der Laserfelder mit einzubeziehen, welche normalerweise vernachlässigt wird. Diese hat einen starken Einfluss auf den Paarerzeugungsprozess für hohe Laserfrequenzen. Die angewandten numerischen Rechnungen stellen einen erheblichen Zeitaufwand dar, deshalb war das zweite Projekt dieser Arbeit die Entwicklung eines effizienten Programms um relativistische quantenmechanische Probleme zu lösen. Dies wurde durch die Anwendung des split-operator Verfahrens auf die Klein-Gordon Gleichung erreicht. Hierbei ergibt sich die Möglichkeit paralleles Rechnen einzusetzten. Jedoch spielt die damit zusammenhängende Spinstatistik eine entscheidende Rolle bei der Paarproduktion, welches an mehreren Beispielen gezeigt wird.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Prof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 27 May 2009
Date Deposited: 23 Jul 2009 10:38
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Klein-Gordon-Gleichung, Dirac-Gleichung, Paarerzeugung, Computerphysik, Numerisches Verfahren
Uncontrolled Keywords: Klein-Gordon equation , Dirac equation , pair creation , computational physics , numerical methods
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