effective mass signatures in multiphoton pair...

41
Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian Kohlf¨ urst, Holger Gies, Reinhard Alkofer Based on Phys. Rev. Lett. 112, 050402 University of Graz Institute of Physics Physics Beyond the Higgs Schladming, March 2, 2014

Upload: others

Post on 22-Jan-2020

15 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Effective mass signatures inmultiphoton pair production

Christian Kohlfurst, Holger Gies, Reinhard AlkoferBased on Phys. Rev. Lett. 112, 050402

University of GrazInstitute of Physics

Physics Beyond the HiggsSchladming, March 2, 2014

Page 2: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Outline

MotivationIntroductionEffective Mass

Theoretical ConsiderationsFormalismQuantum Kinetic Theory

Numerical ResultsConceptsParticle Distribution and Spectra

Summary & Outlook

Page 3: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Outline

MotivationIntroductionEffective Mass

Theoretical ConsiderationsFormalismQuantum Kinetic Theory

Numerical ResultsConceptsParticle Distribution and Spectra

Summary & Outlook

Page 4: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

New Physics

• Physics beyond the Higgs

or• The search for “new” physics

• Quantum electrodynamics• Laser physics• Plasma physics

Page 5: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

New Physics

• Physics beyond the Higgs or• The search for “new” physics

• Quantum electrodynamics• Laser physics• Plasma physics

Page 6: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

New Physics

• Physics beyond the Higgs or• The search for “new” physics

• Quantum electrodynamics• Laser physics• Plasma physics

Page 7: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

High-Intensity Laser Physics

• QED and high-intensity laser physics• ”New“ phenomena: Light-by-light scattering...

Page 8: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Pair Production

• Strong electric field→ charge separation• Particles become measurable

Page 9: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Effective Mass

• Particle in background field• Apparent mass of a particle in response to a perturbation• Reduction of various interactions into effective mass m∗• Treatment of m∗ as it were a free particle

Page 10: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Elementary Particle Physics - Higgs

• Particle masses induced by interaction with Higgs field→ effective masses

Cite: nature.com

Page 11: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Outline

MotivationIntroductionEffective Mass

Theoretical ConsiderationsFormalismQuantum Kinetic Theory

Numerical ResultsConceptsParticle Distribution and Spectra

Summary & Outlook

Page 12: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Considerations

GoalDescribe e− and e+ in a homogeneous electric field in meanfield approximation

Requirement

• Describe dynamical pair creation• Tunneling and absorption processes• Particle statistics

Page 13: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Quantum Vlasov Equation

Integro-differential equation

∂t f (q, t) = W (q, t)∫ t

tVac

dt ′W(q, t ′

)(1− f

(q, t ′

))cos(2θ(q, t , t ′

))(1)

W (q, t) =eE (t)ε⊥ (q, t)

ω2 (q, t), ε

2⊥ (q, t) = m2 +q⊥2, p = q−eA

θ(q, t , t ′

)=∫ t

t ′ω(q, t ′′

)dt ′′, ω

2 (q, t) = ε2⊥ (q, t)+(q3−eA(t))2

• Non-Markovian integral equation, Rapidly oscillating term• Fermions and Pauli statistics

S. A. Smolyansky et al. hep-ph/9712377 GSI-97-72, 1997

S. Schmidt et al.: Int.J.Mod.Phys. E7 709-722, 1998

Page 14: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Differential Equation

Auxiliary functions

G =∫ t

tVac

dt ′W(q, t ′

)(1− f

(q, t ′

))cos(2θ(q, t , t ′

))(2a)

H =∫ t

tVac

dt ′W(q, t ′

)(1− f

(q, t ′

))sin(2θ(q, t , t ′

))(2b)

Coupled differential equation

fGH

=

0 W 0−W 0 −2ω

0 2ω 0

fGH

+

0W0

(3)

J. C. R. Bloch et al.: Phys. Rev. D 60(116011), 1999

Page 15: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Pros and Cons of QKT

Positive Aspects

• Works for arbitrary time-dependent fields• Insight into time evolution of system• Gives particle momentum spectra• Particle density easily calculable

Negative Aspects

• Works only for spatial homogeneous fields• No magnetic field present• Mean field approximation

N.B.: Back-reaction and particle collisions can be included

J. C. R. Bloch et al.: Phys. Rev. D 60(116011), 1999

Page 16: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Outline

MotivationIntroductionEffective Mass

Theoretical ConsiderationsFormalismQuantum Kinetic Theory

Numerical ResultsConceptsParticle Distribution and Spectra

Summary & Outlook

Page 17: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Model for the Field

• Electric field: E (t) = εEcr exp(−t2/(2τ2)

)cos(ωt)

• Photon energy: ω

• Field strength: ε

• Pulse duration: τ

Page 18: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Above Threshold Pair Production

• Photon absorption beyond the threshold→ results inhigher net momentum

• Absorption of a photon lowers the chance to absorbanother photon

P. Agostini et al.: Phys. Rev. Lett. 42(1127-1130), 1979

Page 19: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Effective Mass

• Electric field acts as background field• e−e+ interact with background• “Ionization” energy depends on laser field

EKin = nω−m∗• Effective mass m∗ = m

√1 + ε2/(2ω2)

• AT peak position(nω

2

)2= m2

∗ + qn2

P. Agostini et al.: Phys. Rev. A 36, 4111, 1987

Page 20: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Particle Distribution

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

ààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

àà

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

àààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

àà

à

à

ààààààààààààààà

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àà

à

à

à

à

ààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààà

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààà

à

à

à

à

à ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

à

à

àà àà àà ààààà à ààà à ààà à ààààà à àà à

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.410-14

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

Parallel Momen tum q @m D

FHq

,¥L

Parameters: τ = 300[1/m], ε = 0.2, ω = 0.3[m]

• Above-Threshold peaks• Peak position predictable via effective mass concept

Page 21: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Particle Yield

à

àà

àà

à

àà

à

à

à

à

ààààààà

à

à

àà

ààààààà

ààààààààààà

à

à

àà

ààààààà

ààààààààààà

ààààà

à

à

à

àààààààààààààà

ààààààààààà

à

à

àà

à

à

ààààààààààà

àààààààààààààààààààààà

à

à

à

à

à

ààààààààà

àààààààààààààààààà

àààààààààà

ààà

à

à

à

à

à

à

ààààààààààààààààààà

ààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

àà

à

à

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

àààààà

à

à

à

à

à

àà

ààààààààààààààààààààààà

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

à

àà

à

à

à

à

à

à

àààààààààààààààààààààààà

àààà

à

àà

à

àà

àààààà

à

àà

à

àà

à

àà

àààà

ààààà

à

àà

à

àà

à

àà

à

ààà

àà

à

àààààà

àà

à

àà

à

àà

à

àà

à

àà

à

àà

à

àà

à

àà

ààààààà

ààààààààà

àà

à

ààà

àà

à

àà

à

àà

à

àà

à

àà

à

àà

ààààààààà

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

àà

à

àà

à

àà

àààààààààà

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

àà

à

àà

à

àà

ààà

à

ààààà

à

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

ààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

0.285 0.4 0.667 210-13

10-10

10-7

10-4

0.1

0.333 0.5 1

Field Frequency Ω@mD

Par

ticl

eYi

eld

@1Λ

CD

Parameters: τ = 100[1/m], ε = 0.1

• Resonant at n-photon frequencies• Peak position at ωn = 2m∗/n

Page 22: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Influence of Electric Field

0.28 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33

0.01

0.02

0.05

0.10

0.20

0.50

1.00

Field Frequency Ω@mD

No

rmal

ized

Yie

ld@a

.u.D

0.20 m 20.15 m 20.10 m 20.05 m 2

e¶= 0.02 m 2

Parameters: τ = 100[1/m], n = 7, LinLog-Plot

• Influence of field parameters on particle yield• Peak position at ωn = 2m∗/7 = 2/7

√1 + ε2/(2ω2

n )

• Normalized via ε2n

Page 23: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Effective Mass

à à à à àà

àà

à

à

à

à

à

à

à

à

à àà

àà

à

à

à

à

à

à

à

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.301.00

1.05

1.10

1.15

Field Strength e¶@m 2 D

Eff

ecti

veM

ass

m*@m

Dm* Model

à QKT , n =5m* Model

à QKT , n =7

Parameters: τ = 100[1/m],n = 7Parameters: τ = 100[1/m],n = 5

• Comparison between numerical simulation and m∗ model• Effective mass m∗ = m

√1 + ε2/(2ω2)

Page 24: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

• Question: What causes the resonances?

Page 25: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Channel Closingàààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

àààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààààà

à

àààààààà

ààààà

àààààààààààààà à à

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.250.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Field Strength e¶@m 2D

Peak

Po

siti

on

q@mD

m*

Model

à QKT

Parameters: τ = 300[1/m] ω = 0.322[m]

• AT peak position in distribution function• The higher ε the closer the peak comes to the threshold• Resonance: Peak at threshold(q = 0)

Page 26: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Outline

MotivationIntroductionEffective Mass

Theoretical ConsiderationsFormalismQuantum Kinetic Theory

Numerical ResultsConceptsParticle Distribution and Spectra

Summary & Outlook

Page 27: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Summary

• Quantum Kinetic Theory is capable of describingmultiphoton processes in the non-perturbative thresholddomain

• Various consequences of field dependent threshold• Above-threshold pair production• Threshold energies→ effective mass

Page 28: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Outlook

• Understand full particle spectrum• Perform calculations with more realistic parameters• Include polarization degree of freedom• Include back-reaction(effect of internal electric field)• Investigate influence of magnetic fields

Page 29: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Motivation Theoretical Considerations Numerical Results Summary & Outlook

Thank you!

supported by FWF Doctoral Program on Hadrons in Vacuum, Nuclei and Stars (FWF

DK W1203-N16)

Page 30: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Problem Statement

Quantum electrodynamicOnly QED-Lagrangian and Dirac equation is known

L = ψ(iγµDµ −m)ψ− 14FµνF µν (4)

iγµ∂µψ−mψ = eγµAµ

ψ (5)

Covariant derivative Dµ = ∂µ + ieAµ

Field strength tensor Fµν = ∂µAν −∂νAµ

Open questionHow to obtain statistical quantity F (q, t) from particledescription?

Page 31: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Quantization

Vector PotentialSpatial-independent vector potential in one direction

Aµ = (0,A(t)e3) (6)

• Very strong fields→ regarded as classical• Mean field approximation(background field)

S. Schmidt et al.: Int. J. Mod. Phys. E 7(709), 1998

F. Hebenstreit: Dissertation, 2011

Page 32: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Quantization

Dirac FieldFully quantized

Ψ∼ χ+a(q) + χ

−b†(q) (7)

Equation of motion(∂

2t + m2 + (q3−eA(t))2 + ieE(t)

)χ± = 0 (8)

Creation/Annihilation Operators

• Operators a(q), b†(q) hold information about particlestatistics

• Fermions→ anti-commutation relations

Page 33: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Operator Transformation

Hamiltonian

• Non-vanishing off-diagonal elements• Diagonalization by Bogoliubov transformation• Switching to quasi-particle picture

A(q, t) = α (q, t)a(q)−β∗ (q, t)b† (−q) (9a)

B† (−q, t) = β (q, t)a(q) + α∗ (q, t)b† (−q) (9b)

Bogoliubov coefficients have to fulfill |α (q, t)|2 + |β (q, t)|2 = 1

Page 34: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Particle Distribution

One-particle distribution function

F (q, t) = 〈A† (q, t)A(q, t)〉 (10)

Fulfills equation of motion

∂tF (q, t) = S (q, t) (11)

• Gives distribution in momentum space• Time-dependent quantity• Interpretation as electron/positron distribution for t →±∞

only

Page 35: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Magnetic Fields

Pure Magnetic Fields

• Particle creation not possible

Collinear EM-Fields

• Space-dependent vector potential Aµ (x , t) = (0,0,xB,A(t))

• Additional constraints compared to pure electric case• Quantised particle distribution

ε2⊥→m2 + eB (2n + 1 + (−1)s)

N. Tanji: Ann. Phys. 8(324), 2009

Page 36: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Internal Electric Field• Internal electric field Eint(t) due to electron-positron pairs:

E(t) = Eext (t) + Eint (t) → E(t) =−jext (t)− jint (t)

• Internal electromagnetic current jint (t) in the e3 direction:

jint (t) = 4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)F (q, t)+

4E (t)

∫ d3k

(2π)3 ω (q, t) F (q, t)

• Conduction current stays regular for all momenta!• Polarization current exhibits a logarithmic UV-divergence• Charge renormalization• Properly renormalized internal electromagnetic current:

4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)

[F (q, t)+

ω2 (q, t)eE (t)p3(t)

F (q, t)−eE (t)ε2

⊥8ω4 (q, t)p3(t)

]

Page 37: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Internal Electric Field• Internal electric field Eint(t) due to electron-positron pairs:

E(t) = Eext (t) + Eint (t) → E(t) =−jext (t)− jint (t)

• Internal electromagnetic current jint (t) in the e3 direction:

jint (t) = 4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)F (q, t)+

4E (t)

∫ d3k

(2π)3 ω (q, t) F (q, t)

• Conduction current stays regular for all momenta!• Polarization current exhibits a logarithmic UV-divergence• Charge renormalization• Properly renormalized internal electromagnetic current:

4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)

[F (q, t)+

ω2 (q, t)eE (t)p3(t)

F (q, t)−eE (t)ε2

⊥8ω4 (q, t)p3(t)

]

Page 38: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Internal Electric Field• Internal electric field Eint(t) due to electron-positron pairs:

E(t) = Eext (t) + Eint (t) → E(t) =−jext (t)− jint (t)

• Internal electromagnetic current jint (t) in the e3 direction:

jint (t) = 4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)F (q, t)+

4E (t)

∫ d3k

(2π)3 ω (q, t) F (q, t)

• Conduction current stays regular for all momenta!• Polarization current exhibits a logarithmic UV-divergence• Charge renormalization• Properly renormalized internal electromagnetic current:

4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)

[F (q, t)+

ω2 (q, t)eE (t)p3(t)

F (q, t)−eE (t)ε2

⊥8ω4 (q, t)p3(t)

]

Page 39: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Internal Electric Field• Internal electric field Eint(t) due to electron-positron pairs:

E(t) = Eext (t) + Eint (t) → E(t) =−jext (t)− jint (t)

• Internal electromagnetic current jint (t) in the e3 direction:

jint (t) = 4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)F (q, t)+

4E (t)

∫ d3k

(2π)3 ω (q, t) F (q, t)

• Conduction current stays regular for all momenta!• Polarization current exhibits a logarithmic UV-divergence• Charge renormalization• Properly renormalized internal electromagnetic current:

4e∫ d3k

(2π)3p3(t)

ω (q, t)

[F (q, t)+

ω2 (q, t)eE (t)p3(t)

F (q, t)−eE (t)ε2

⊥8ω4 (q, t)p3(t)

]

Page 40: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Scattering picture

• [∂ 2t + ω2 (q, t)]g (q, t) = 0

• 1-dimensional scattering problem

H ψ(x) =

[− h2

2m∂

2x + V (x)

]ψ(x) = Eψ(x)

• Formal similarity→ Scattering potential: V (t)∼−ω2 (q, t)• Reflection coefficient↔ Produced pairs

Page 41: Effective mass signatures in multiphoton pair productionphysik.uni-graz.at/schladming2014/talks/Kohlfuerst.pdf · Effective mass signatures in multiphoton pair production Christian

Appendix

Scattering picture

• [∂ 2t + ω2 (q, t)]g (q, t) = 0

• 1-dimensional scattering problem

H ψ(x) =

[− h2

2m∂

2x + V (x)

]ψ(x) = Eψ(x)

• Formal similarity→ Scattering potential: V (t)∼−ω2 (q, t)• Reflection coefficient↔ Produced pairs