超强场下真空中正反粒子对产生问题的量子动理学研究

With the rapid development of laser technology, the maximum electromagnetic field intensity in the laboratory has been improved greatly, thereby vacuum decaying into particle-antiparticle pairs in strong external fields becomes a research hotspot again. This project mainly investigates vacuum pair production in complex and strong external fields by quantum kinetic method. Quantum kinetic method can not only be used to calculate the number density of created pairs and show the phase space information, but also be used to study pair creation in arbitrarily complex fields and investigate the physics mechanism of pair production. The research contents of this project are as follows: exploring the best combination of different enhancement mechanisms of pair creation to get the optimal pair yields; studying the signatures of particle momentum distribution in two spatially homogeneous and circularly polarized electric fields with different rotation styles; considering the effects of the spatial homogeneous of time-dependent electric field and the magnetic field on the momentum distribution and number density of created pairs. The research results of this project will not only deepen the understanding of pair creation process, but also provide the theoretical guidance for using laser to prove that light can be directly changed into matter.

随着激光技术的快速发展，实验室中所能获得的电磁场强度得到了极大的提高，使得强外场下真空衰变产生正反粒子对问题再次成为研究热点。本项目主要运用量子动理学方法研究复杂强外场下的真空粒子对产生问题。量子动理学方法不仅可以计算出产生粒子对的数密度，给出产生粒子的相空间信息，还可以处理任意复杂场下的粒子对产生问题，深入研究粒子对产生的物理机制。本项目的具体研究内容为：探究粒子对产生中不同增强机制的最佳组合形式并获得最优粒子对产量；研究两个具有不同旋转形式的空间均匀圆极化电场下产生的粒子对的动量分布特征；考虑含时电场的空间不均匀性和磁场对粒子的动量分布和数密度的影响。本项目的研究结果不但可以加深人们对粒子对产生过程的理解，而且可以为实验上用激光设施验证纯光直接转化为物质的过程提供理论指导。

研究主要运用量子动理学方法研究了复杂强外场下的真空粒子对产生问题，主要研究内容和结果如下：（1）考虑不同极化啁啾场下的粒子对产生，发现可以通过调节啁啾参数把产生的粒子对数密度提高3~4个量级；考虑各种极化的双色电场下动力学辅助的粒子对产生问题，发现在合适的高次谐频下粒子数密度可以被提高7~8个量级；通过研究在频率调制激光场下真空中产生正负电子对的动量谱和数密度，发现数密度对激光场的调制参数非常敏感，并且在某种调制参数下，粒子对数密度可以被提高2~3个量级。（2）通过研究两个不同旋转手性的圆极化场，发现了多光子对产生过程中的重要特征之一——动量涡旋结构；进一步考虑双色旋转激光场下的动量涡旋，发现了由奇数螺旋线构成的动量涡旋，另外，还发现动量涡旋的观测需要用椭偏度接近于1的激光场实现；通过研究双旋转场下玻色子对产生过程，证明了粒子的轨道角动量决定着动量涡旋的形成，而非自旋角动量。（3）通过用谱方法实现了数值求解1+1维（一维空间含时）DHW形式，并把得到的真空中产生粒子对的动量谱和数密度与计算量子场论方法的结果进行了比较，发现在误差允许的范围内两种结果是完全等价的；通过设计多重振荡势阱势垒这种空间不均匀时间振荡的电场，发现该场可以极大地提高粒子对的产量。该研究进一步加深了人们对自旋极化和动量涡旋等粒子对产生中所展现的重要特征的理解，指导实验设计更具有实际意义的外场结构产生可观测数量的粒子对，验证真空中粒子对产生过程。