German Title: Myonische Atome in super-intensiven Laserfeldern

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Abstract

Nuclear effects in hydrogenlike muonic atoms exposed to intense high-frequency laser fields have been studied. Systems of low nuclear charge number are considered where a nonrelativistic description applies. By comparing the radiative response for different isotopes we demonstrate characteristic signatures of the finite nuclear mass, size and shape in the high-harmonic spectra. Cutoff energies in the MeV domain can be achieved, offering prospects for the generation of ultrashort coherent gamma-ray pulses. Also, the nucleus can be excited while the laser-driven muon moves periodically across it. The nuclear transition is caused by the time-dependent Coulomb field of the oscillating charge density of the bound muon. A closed-form analytical expression for electric multipole transitions is derived within a fully quantum mechanical approach and applied to various isotopes. The excitation probabilities are in general very small. We compare the process with other nuclear excitation mechanisms through coupling with atomic shells and discuss the prospects to observe it in experiment.

Translation of abstract (German)

Es werden Kerneffekte in wasserstoff-ähnlichen myonischen Atomen, die intensiver Laserstrahlung hoher Frequenz ausgesetzt sind, untersucht. Dabei werden Systeme it niedriger Kernladungszahl betrachtet, die eine nichtrelativistische eschreibung erlauben. Durch Vergleich der von verschiedenen Isotopen usgesandten hochharmonischen Strahlung werden charakteristische Signaturen durch die Kernmasse, -größe und -form demonstriert. Maximale Photonenenergien im MeV-Bereich sind erreichbar und weisen einen Weg zur Erzeugung ultra-kurzer, kohärenter Gamma-Pulse. Darüber hinaus kann der Atomkern durch die laser-getriebene periodische Bewegung des Myons angeregt werden. Der Übergang in ein höheres Kernniveau wird durch das zeitabhängige Coulomb-Feld der oszillierenden Ladungsdichte des gebundenen Myons hervorgerufen. Im Rahmen eines vollständig quantenmechanischen Ansatzes wird ein geschlossener analytischer Ausdruck für elektrische Multipolübergänge hergeleitet und auf verschiedene Isotope angewandt. Die Anregungswahrscheinlichkeiten sind im Allgemeinen sehr klein. Wir vergleichen den Prozess mit anderen Kernanregungsmechanismen, die auf einer Kopplung mit der atomaren Hülle beruhen, und diskutieren die Aussichten für seine experimentelle Beobachtung.