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QED radiative corrections in a strong plane-wave background field

Podszus, Tobias Helgo

German Title: QED Strahlungskorrekturen in einem starken Hintergrundfeld aus ebenen Wellen

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In this thesis radiative corrections to the probabilities of two basic processes in Quantum Electrodynamics (QED) in the presence of a strong electromagnetic plane wave background field are investigated. The considered two processes are nonlinear Compton scattering (the emission of a single photon by an electron) and nonlinear Breit-Wheeler pair production (the decay of a photon into an electron-positron pair).

Taking radiative corrections into account, the electron, positron, and photon states inside a plane wave are not stable, but "decay" in the sense that electrons and positrons emit photons and photons decay into electron-positron pairs. Employing these states, the probabilities for nonlinear Compton scattering and nonlinear Breit-Wheeler pair production are derived analytically within the local constant field approximation. The particles states decay leads to the appearance of an exponential damping term in those probabilities, limiting them to values below unity even for plane wave pulses with large phase duration and intensity.

Afterwards, leading order corrections in the fine-structure constant $\alpha$ to the probability of nonlinear Compton scattering, stemming from the self-interaction of the electron inside a plane wave, are investigated separately. It is shown that those corrections are included in the previously obtained probability within the same approximations.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strahlungskorrekturen zu den Wahrscheinlichkeiten zweier elementarer Prozesse der Quantenelektrodynamik (QED) in Präsenz eines Hintergrundfeldes in Form einer starken elektromagnetischen planaren Welle. Bei den untersuchten Prozessen handelt es sich um die nichtlineare Comptonstreuung (die Emission eines Photons durch ein Elektron) und die nichtlineare Breit-Wheeler Paarproduktion (der Zerfall eines Photons in ein Elektron-Positron-Paar).

Unter Berücksichtigung von Stahlungskorrekturen sind die Wellenfunktionen von Elektronen, Positronen und Photonen in einer planaren Welle nicht stabil, sondern "zerfallen" in dem Sinne, dass Elektronen und Positronen Photonen emittieren und Photonen wiederum in Elektron-Positron-Paare zerfallen. Mit Hilfe dieser Wellenfunktionen wurden die Wahrscheinlichkeiten für nichtlineare Comptonstreuung und nichtlineare Breit-Wheeler Paarproduktion unter der lokal-konstantes-Feld-Näherung analytisch hergeleitet. Der Zerfall der Wellenfunktionen führt zum Auftauchen eines exponentiellen Dämpfungsterms in diesen Wahrscheinlichkeiten, welcher diese, auch für planare Wellenpulse mit großen Phasenlängen und Intensitäten, auf Werten unter Eins beschränkt.

Im Anschluss wurden separat dazu die Korrekturen zur Wahrscheinlichkeit für nichtlineare Comptonstreuung, die von der Selbstwechselwirkung des Elektrons in der planaren Welle stammen, in erster Ordnung der Feinstrukturkonstante $\alpha$ untersucht. Es wird gezeigt, dass diese, unter Berücksichtigung gleicher Näherungen, in der zuvor hergeleiteten Wahrscheinlichkeit enthalten sind.

Document type: Dissertation
Supervisor: Di Piazza, Prof. Dr. Antonino
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 10 November 2023
Date Deposited: 21 Nov 2023 07:05
Date: 2023
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
DDC-classification: 530 Physics
Controlled Keywords: Quantenelektrodynamik, Strahlungskorrektur, Hintergrundfeld, Paarerzeugung, Streuung
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