非平面波强激光场中的真空极化问题

The development of super intense laser technology provides an important method to explore vacuum polarization problems experimentally. It also requires the study of vacuum polarization as the transport and focusing characteristics of the super intense laser fields and the nonperturbative interactions of the fields and particles are influenced by that. This project carries out research on vacuum polarization in non-plane wave intense laser fields. It starts out with solving Dirac equation and Klein-Gordon equation in non-plane wave laser fields, and develops reliable integrated theoretical and numerical methods to obtain accurate enough approximate solutions for non-plane-wave-laser-dressed particle quantum states. Therefore it generalizes the nonperturbative laser-dressed quantum electrodynamics method to practically significant non-plane wave situations. On this basis the electron-positron pair production problems are calculated for particles colliding with non-plane wave laser fields, a higher-order modification to conventional QED effective theory is deduced as the nonperturbative interaction between the intense fields and virtual particles is taken into account, and the self-adaptive process of the laser field under the influence of vacuum polarization is explored. This research has scientifically significant value to developing the nonperturbative theoretical method, to understanding quantum electrodynamics phenomena in super intense laser fields, and to improving the ability of theoretical prediction and verification for the experiments.

超强激光技术的发展，不仅提供了实验探索真空极化问题的重要手段，而研究超强激光场的传输、聚焦等特性，及其与粒子的非微扰相互作用，也需要考虑真空极化的影响。本项目研究非平面波强激光场中的真空极化问题。从数值求解非平面波激光场中的Dirac方程和Klein-Gordon方程出发，发展可靠的理论与数值结合的方法，获得足够精度的非平面波激光场缀饰粒子量子态的近似解，从而把非微扰的激光缀饰量子电动力学方法推广到具有实际意义的非平面波强激光场的情况。在此基础上计算粒子与非平面波强激光场撞击产生正负电子对问题，推导强场与虚粒子非微扰相互作用带来的对经典量子电动力学有效场理论的高阶修正，探索真空极化作用下激光场强度分布自适应变化过程。本项目的研究对发展非微扰理论方法，对理解超强激光场中的量子电动力学现象，对提高理论预测和验证实验的能力都具有重要的科学价值。

强激光场中的真空极化问题具有丰富的研究内涵。对其研究会加深我们对世界基本构成物质和原理的认识，随着强激光技术的发展，该研究又具有重要的应用价值。强激光场与虚实粒子（真空）的非微扰相互作用会出现很多有意思的新现象，但也给理论研究带来了挑战。尤其是非平面波构型激光场中的量子电动力学，至今还存在很多没有解决的理论和计算难点。我们围绕研究计划系统开展了非平面波强激光场中真空极化问题多个方面的研究: (1)开展了非平面波激光场中量子力学基本方程Klein-Gordon方程和Dirac方程近似解的研究，首次获得了在两束对撞激光场中高能斜入射粒子的Klein-Gordon方程的解析近似解和Dirac方程解的作用量，为计算此类典型非平面波强激光场中的量子电动力学过程提供了重要支持; (2) 首次完成了高能电子撞击非平面波强x-ray激光场产生正负电子对的全量子电动力学计算，显示了由光场的非平面波构型带来的正负电子对产生的新特征；(3)发展了有效场理论研究激光场中虚粒子涨落引起的真空极化现象，首次解析得到了含时强场中光锥条件公式，对现有的理论结果做出了重要修正，探讨了该结果在实验测量milli-charged费米子上的应用。我们的工作实现了项目的研究目标，增进了对强激光场中真空极化问题的理解和认识。在研究中，我们发现了一些新的科学问题，辨识了理论和计算的一些关键和难点，也发展了一些新的方法，为更进一步的研究拓展了思路，打下了基础。