超强激光在等离子体中诱导的量子电动力学真空效应的研究

Under the action of extreme fields, the vacuum behaves as a nonlinear electromagnetic medium. The vacuum will be polarized by extreme fields. This is known as vacuum polarization effects. If external electric fields approach to the critical electric field, electron-positron pairs may be produced spontaneously from vacuum. With the intensity of laser increasing, nonlinear quantum electrodynamic (QED) vacuum effects become more and more significant in ultraintense laser-plasma interactions. This project contains three parts. Firstly, under the background of electron-positron pair plasmas, the nonlinear theory of intense laser-plasma interactions modified by vacuum polarization effects can be studied. And the coupling effects of plasma and vacuum polarization on the laser pulse can also be investigated. Secondly, the probability of pair production from vacuum induced by the intense laser when it passes through the plasma can be calculated. The effects of the profile and duration of the laser pulse on the probability of pair production can be analyzed. And the reaction of pair production to the laser pulse can also be probed. Finally, the probability of pair production from vacuum induced by the constant magnetic field and intense laser in a magnetized plasma can be studied. The project will be expected to play an important role in expanding nonlinear theory of intense laser-plasma interactions. We hope our investigations can supply a theoretical basis for following laser-plasma experiments and verification of vacuum pair production.

在强场作用下，真空表现为一种非线性的电磁介质，真空会被强场极化，此即真空极化效应；如果外场强度接近QED临界电场，真空中就会产生电子-正电子对。随着激光强度的增加，在激光-等离子相互作用过程中，非线性量子电动力学真空效应变得越来越显著。本项目拟对这种强场效应进行研究：（1）在对等离子体背景下，研究真空极化效应对超强激光-等离子体相互作用理论的修正，以及此效应对激光脉冲的影响；（2）计算超强激光穿过等离子体时诱导的真空电子对产生几率；并分析激光脉冲的形状和持续时间对电子对产生几率的影响；分析电子对产生过程对激光脉冲的反作用；（3）在磁化等离子体背景下，计算稳恒磁场和强激光诱导的电子对产生几率，进一步研究等离子体和磁场在电子对产生过程中所起的作用。相信对于这一课题的研究将会对超强激光-等离子体相互作用理论有所拓展，并期望能为以后的激光-等离子体实验以及最终验证真空电子对产生提供一定的理论基础。

真空极化效应和真空电子对产生是量子电动力学中描述的一种非常重要的物理效应和现象。随着激光强度的增加，在激光-等离子相互作用过程中，量子电动力学真空效应变得越来越显著，同时对激光脉冲的传播产生影响。在本项目中对真空效应的研究主要从两个层面展开：（1）利用WKB近似方法计算了超强超短激光在等离子体中传播时诱导的真空电子对产生几率，分析了激光脉冲的振幅和等离子体频率对电子对产生几率的影响，特别是通过引入脉冲形状函数分析了激光脉冲的持续时间对产生几率的影响；结果表明，短脉冲激光更有助于激发电子对产生，尤其是当激光的持续时间和周期可以相比时，电子对产生几率会提高。（2）研究了强激光诱导的真空极化效应对激光-等离子体相互作用理论的修正，得到了包含真空效应的描述超强激光-等离子体系统的动力学行为的理论方程；继而得到了超强激光在电子-正电子-离子等离子体中的色散关系和调制不稳定性，讨论了激光强度、粒子温度、等离子体组份以及真空极化效应对调制不稳定性增长率的影响。. 通过四年的研究，我们取得了一系列创新性的结果，目前已发表论文8篇，其中SCI论文6篇。这些研究成果对于我们深入理解量子电动力学真空效应具有重要的学术价值。同时，对该领域的实验研究也具有一定的指导意义。