Μελέτη παραγωγής σωματιδίων-αντισωματιδίων από το κενό παρουσία βραχύχρονων και υπέρ-ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων από σύγχρονα συστήματα λέιζερ
Authors: Πλουμιστάκης Ιωάννης 
Published: September 2021

Η παραγωγή σωματιδίων αντι-σωματιδίων είναι ένα πεδίο που συγκεντρώνει έντονο ενδιαφέρον, πράγμα που αποδεικνύεται από την έντονη δραστηριότητα που παρατηρείται σε επίπεδο θεωρητικής μελέτης αλλά και πειραματικής επιβεβαίωσης. Ειδικότερα το τελευταίο διάστημα με την ανάπτυξη νέων εγκαταστάσεων λέιζερ που μπορούν να φτάσουν σε ακόμη μεγαλύτερες εντάσεις, υπάρχει η δυνατότητα να πλησιάσουμε ακόμα περισσότερο στην πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου. Παρουσιάζεται η θεωρητική αντιμετώπιση του φαινομένου μέσα από διάφορα μοντέλα που αναπτύχθηκαν με έμφαση σε αυτά του συστήματος δύο σταθμών σε συντονισμό και αυτό του φανταστικού χρόνου. Και τα δύο μοντέλα βασίζονται σε πολυφωτονικές διαδικασίες και σκοπός μας είναι να υποστηρίξουμε την χρήση τους καθώς μπορούμε να επιτύχουμε ικανοποιητική απόδοση παραγωγής ζευγών. Στη συνέχεια θα προταθούν δύο νέες πειραματικές διατάξεις για τη μελέτη του συντονισμού με σκοπό να αναδειχτούν και άλλοι τρόποι πειραματικής εφαρμογής του φαινομένου. Πρώτα θα περιγραφεί η παραγωγή ζευγών από ένα λέιζερ XFEL μικρότερης κλίμακας εφαρμόζοντας την προσέγγιση του συντονισμού. Η δέσμη των σχετικιστικών ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των ακτίνων Χ παράγεται και επιταχύνεται με την χρήση ισχυρού λέιζερ αντί για των μεγάλων διαστάσεων και πολύπλοκο επιταχυντή. Με χρήση τυπικών παραμέτρων για την δέσμη του λέιζερ θα υπολογιστεί η επιτεύξιμη απόδοση. Η δεύτερη προτεινόμενη διάταξη έχει αρκετή ομοιότητα με το πείραμα Ε144, η πρώτη και μοναδική μέχρι σήμερα πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου έγινε στο Stanford στον επιταχυντή SLAC . Με ένα λέιζερ ισχύος παράγεται και επιταχύνεται σε σχετικιστικές ταχύτητες μια δέσμη ηλεκτρονίων η οποία αλληλεπιδρά με μέρος της δέσμης λέιζερ του συστήματος. Το σύστημα λέιζερ που χρησιμοποιείται έχει μήκος κύματος στο υπέρυθρο ή στο ορατό. Αν για τους υπολογισμούς επιλεγεί το σύστημα αναφοράς των σχετικιστικών ηλεκτρονίων, τα φωτόνια έχουν υψηλότερη ενέργεια και σε αυτή την περιοχή ενεργειών λόγω της μεγάλης έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που οφείλεται στο μετασχηματισμό Lorentz, έχουμε τις προϋποθέσεις για παραγωγή e+e- με σχετικά πολύ μεγάλη απόδοση Εφαρμόζοντας το μοντέλο του συντονισμού για το σύστημα αναφοράς των ηλεκτρονίων έχουμε την ευκαιρία να συγκρίνουμε την απόδοση παραγωγής ζευγών με τις προηγούμενες περιπτώσεις και να αναφέρουμε τα αποτελέσματα.Συνεχίζοντας με θα χρησιμοποιήθει η μέθοδος του φανταστικού χρόνου που πρώτος εισήγαγε ο Popov σε μια διάταξη ανάλογη με αυτή του πειράματος Ε144. Η μέθοδος αυτή είναι μια πολυφωτονική διαδικασία με την διαφορά ότι τώρα δεν είμαστε σε συντονισμό. Επίσης παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αναφορικά με τον αριθμό παραγόμενων ζευγών του μοντέλου Popov μέσα από γραφήματα του αριθμού ζευγών σε συνάρτηση με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Επιβεβαιώθηκε η πολυφωτονική φύση του φαινομένου και παρουσιάζονται επίσης και άλλα στοιχεία που ενισχύουν τον ισχυρισμό ότι μπορεί να αποτελέσει μια μελλοντική πειραματική πρόταση για παρατήρηση του φαινομένου. Επεκτείναμε τη διερεύνηση και στην δυνατότητα παραγωγής πιονίων με την χρήση της διάταξης που παρουσιάστηκε στην αρχή του κεφαλαίου. Τέτοια σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην συνέχεια σε άλλες εφαρμογές, αλλά ωστόσο απαιτούν ακόμα μεγαλύτερες εντάσεις ηλεκτρικών πεδίων. Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν μέσα από τις καμπύλες των παραγόμενων σωματιδίων σε συνάρτηση με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Επίσης διερευνάται η δυνατότητα να φτάσουμε στο γεγονός της παραγωγής πιονίων χωρίς να έχει πιο πριν αναλωθεί η ενέργεια του λέιζερ σε συμβάντα παραγωγής ηλεκτρονίων / ποζιτρονίων. Καταλήξαμε σε ένα μηχανισμό που επιτρέπει την επιλογή του είδους των παραγόμενων ζευγών σωματιδίων κι έτσι να υπάρχει η δυνατότητα καθορισμού του τύπου των παραγόμενων σωματιδίων. Ολοκληρώνοντας, θα γίνει μια επισκόπηση των τρεχουσών εξελίξεων και μελλοντικών θεμάτων προς τα οποία θα μπορούσε να επεκταθεί η διατριβή. Το τελευταίο διάστημα υπάρχει μια έντονη δραστηριότητα με επίκεντρο την πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου. Στα πλαίσια αυτής της δραστηριότητας προτείνονται διάφορες τεχνικές και πειραματικές διατάξεις με το σκεπτικό να γίνει πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου με ήδη υπάρχοντα συστήματα λέιζερ. Θα μας απασχολήσει μια τέτοια πρόταση όπου, φωτόνια γ που δημιουργήθηκαν από μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας αλληλεπιδρούν με φωτόνια ακτίνων-X, με αποτέλεσμα την δημιουργία ζεύγους e+e-. Η παραγωγή των σωματιδίων γίνεται μέσω του πολυφωτονικού μηχανισμού Breit – Wheeler που περιγράφει την αλληλεπίδραση ενός φωτονίου γ με ένα αριθμό φωτονίων Χ. Η υπολογισμοί επικεντρώνονται στην αλληλεπίδραση ενός φωτονίου γ με ένα φωτόνιο Χ. Επομένως αρχικά θα γίνει η περιγραφή της διάταξης και παρουσίαση αποτελεσμάτων όσον αφορά την απόδοσή της, οι αντίστοιχες συγκρίσεις με άλλες προτεινόμενες διατάξεις αποσκοπώντας στο να γίνει μια πρώτη αναφορά στα επόμενα βήματα εξέλιξης της παρούσας εργασίας.