Schwinger-vaikutus

Vahva, vakio sähkökenttä, elektronit, $e^{-}$ ja positronit $e^{+}$ , luodaan spontaanisti.

Schwinger-vaikutus on ennustettu fysikaalinen ilmiö, jonka mukaan aine on syntynyt vahvan sähkökentän vaikutuksesta. Sitä kutsutaan myös nimillä (Sauter-) Schwinger-vaikutus, Schwinger-mekanismi tai Schwinger-parin tuotanto . Se on kvantti­elektro­dynamiikkaan (QED) perustuva ennuste, jonka mukaan elektroni-positroniparit muodostuvat spontaanisti sähkökentän läsnä­ollessa, mikä aiheuttaa sähkökentän hajoamisen. Fritz Sauter ehdotti vaikutusta alun perin vuonna 1931 , ja Werner Heisenberg ja Hans Heinrich Euler tekivät myös tärkeää työtä vuonna 1936 , vaikka vasta 1951 Julian Schwinger antoi täydellisen teoreettisen kuvauksen .

Matemaattinen kuvaus

Schwingerin parien tuotanto jatkuvassa sähkökentässä tapahtuu vakionopeudella yksikkötilavuutta kohti, jota yleisesti kutsutaan nimellä $\Gamma$ . Suhde on ensin laskettu Schwingerin ja pääjärjestyksen mukaan $e^{2}$ , elektronin varauksen neliö on yhtä suuri

$\Gamma ={\frac {(eE)^{2}}{4\pi ^{3}c\hbar ^{2}}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}\mathrm {e} ^{-{\frac {\pi m^{2}c^{3}n}{eE\hbar }}}$

missä $m$ on elektronin massa ja $E$ on sähkökentän voimakkuus. Tätä kaavaa ei voi laajentaa Taylor-sarjoihin $e^{2}$ , joka osoittaa tämän vaikutuksen ei- houkuttelevan luonteen. Feynman-kaavioiden mukaan Schwinger-parin tuotannon nopeus voidaan laskea summaamalla alla esitetty ääretön joukko kaavioita, jotka sisältävät yhden elektronisilmukan ja minkä tahansa määrän ulkoisia fotonijalkoja, joista jokaisella on nollaenergiaa.

Feynman-kaavioiden äärettömän joukon merkitys Schwingerin parin tuotannolle.

Kokeelliset näkymät

Schwingerin vaikutusta ei ole koskaan havaittu, koska vaaditut erittäin voimakkaat sähkökentän vahvuudet tarvitaan. Parin tuotanto tapahtuu eksponentiaalisesti hitaasti, kun sähkökentän voimakkuus on paljon alle Schwingerin raja-arvon, joka vastaa suunnilleen $10^{18}\,\mathrm {V} /\mathrm {m}$ . Nykyisillä ja suunnitelluilla laserlaitteilla tämä on epätarkoituksenmukainen vahvan sähkökentän voimakkuus, joten on ehdotettu erilaisia mekanismeja prosessin nopeuttamiseksi ja siten havainnon edellyttämän sähkökentän voimakkuuden vähentämiseksi.

Parin tuotannon nopeus voi kasvaa merkittävästi aikariippuvaisissa sähkökentissä , ja sellaisenaan pyritään korkean intensiteetin laserkokeilla, kuten Extreme Light Infrastructure . Toinen mahdollisuus on sisällyttää korkeasti varautunut ydin, joka itse tuottaa vahvan sähkökentän .

Katso myös

• Schwingerin raja
• Tyhjiöpolarisaatio