English Title: Bound-free Pair creation in combined laser and Coulomb fields

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird der Prozess der gebunden-freien Paarerzeugung von Elektronen und Positronen in kombinierten Laser- und Coulombfeldern untersucht. Es wird angenommen, dass ein relativistischer Ionenstrahl frontal mit einem intensiven Röntgenlaserstrahl kollidiert. Das Elektron-Positron-Paar wird durch simultane Absorption mehrerer Laserphotonen in einem nichtlinearen Prozess erzeugt. Der Einfang der Elektronen wird sowohl für den Grundzustand als auch für angeregte Zustände untersucht. Es wird die Prozesswahrscheinlichkeit im Rahmen der relativistischen Quantenmechanik berechnet. Für diesen nichtlinearen Prozess starker Laserfelder kann keine gewöhnliche Störungsentwicklung angewandt werden; stattdessen wird hier die Strong-Field-Approximation benutzt, welche den Einfluss des Coulombfelds auf das Positron vernachlässigt. Es werden ein analytisches Ergebnis für die Übergangsamplitude gefunden und numerische Ergebnisse für die Paarproduktionsraten mit Parametern des geplanten Röntgenlasers bei DESY vorgestellt. Hauptresultate sind, dass gebunden-freie Paarproduktion zu endlich hohen Raten führt, und diese von vergleichbarer Größenordnung wie für frei-freie Paarproduktion sind. In naher Zukunft wird die experimentelle Beobachtung des untersuchten Prozesses möglich sein.

Translation of abstract (English)

In the present work, the process of bound-free pair production of electrons and positrons in combined laser and Coulomb fields is investigated. It is assumed that an ion at relativistic speed collides with an intense x-ray laser beam. The process proceeds nonlinearly due to simultaneous absorption of several laser photons. The capture of the electron into the ground state and excited states is considered. The process probability is calculated in the framework of relativistic quantum mechanics. For this nonlinear process ordinary perturbation theory cannot be applied; instead the Strong-Field-Approximation is used, which neglects the influence of the Coulomb field on the positron. An analytical result for the amplitude is derived and numerical results of pair production rates for parameters for the planned x-ray laser at DESY are presented. The main outcome is that bound-free pair production has a sizeable probability and that it is comparable to the free-free reaction channel. Experimental observation of this process will become feasible in the near future.