シュウィンガー効果

シュウィンガー効果（シュウィンガーこうか、Schwinger effect）とは、強い電場によって粒子-反粒子対が生成されるという物理現象である。サウター・シュウィンガー効果（Sauter–Schwinger effect）、シュウィンガー機構（Schwinger mechanism）、シュウィンガー対生成（Schwinger pair production）とも呼ばれる。 量子電磁気学 (QED) によって予測されている現象であり、電場が存在すると電子-陽電子対が自発的に生成され、それによって電場の減衰が引き起こされるという。この効果は1931年にによって初めて提案され 、1936年にはヴェルナー・ハイゼンベルクとによって重要な理論的進展が与えられ、1951年にジュリアン・シュウィンガーによって場の量子論的に定式化され、真空崩壊率が求められた。

シュウィンガー効果は電場の存在による真空（粒子数0の状態）の崩壊と考えることができる。真空崩壊という概念は無から何かが生まれるということを示唆するが、物理的な保存則（電荷保存則、エネルギー保存則など）は依然として保たれている。電荷保存則は、生成される粒子-反粒子対（典型的には電子-陽電子）の電荷が反対になっていることから全体として中性であり、保たれる。

エネルギー保存則より、電子-陽電子対が生成されると、電場は に等しい量のエネルギーを失う。ここでは光速、は 電子質量である。各対において、電子と陽電子は反対の速度とスピンを持って生成されるため、運動量と角運動量もやはり保存する。実際には、電子と陽電子はほぼ静止した状態で生成され、その後電場によって互いに逆方向に加速されて離れていくと考えられている。

 数学的記述 
一様定常電場におけるシュウィンガー対生成は、単位（時空）体積あたり一定の確率で起こり、慣習的にと表記される。真空崩壊率の主要項（）はシュウィンガー によって初めて計算され、次の式で表される。



ここで、は電子質量、は素電荷、は電場強度である。この式は周りでテイラー展開できず、この効果のを示している。ファインマン図を用いると、以下に示すような、1つの電子ループと、エネルギーゼロである任意個の外部光子脚を含む無限個の図を合計することで、シュウィンガー対生成率を導くことができる。
中央|サムネイル|428x428ピクセル|シュウィンガー対生成に関連するファインマン図の無限和。

 実験的検証 
量子電磁気学における元来のシュウィンガー効果は、極めて強い電場強度が必要となるため、現在まで観測されていない。電場強度が（約 V/m）を下回ると、対生成は指数関数的に抑制される。現在および計画中のレーザー施設では、これは実現不可能なほど強い電場強度であるため、このプロセスを増幅し、観測に必要な電場強度を低減するための様々なメカニズムが提案されている。

対生成率は時間依存の電場中で著しく増加する可能性があり、これはなどの高強度レーザー実験によって追求されている。もう1つの可能性は、それ自体が強い電場を生じる高電荷の原子核を考慮することである。

により、シュウィンガー効果に対応する磁気的効果は、もし存在するならば、磁気単極子を生成するはずである。大型ハドロン衝突型加速器を使用したによる探索では、単極子は検出されず、分析では、95%の信頼度水準で単極子質量の下限がであると示された。

2022年1月、アンドレ・ガイム率いる英の研究者とその共同研究者らは、六方晶窒化ホウ素（G/hBN）上のグラフェン超格子とねじれ二層グラフェン（TBG）超格子のにおいて、電子-正孔間におけるシュウィンガー効果の類似過程を観測したと報告した。ツェナー=クライン・トンネル効果（ツェナー効果との混合）としての解釈も行われている。2023年6月、パリのの研究者とその共同研究者らは、ドープグラフェントランジスタにおける１次元構造中でのシュウィンガー効果（に対応する効果）による対生成率の定量測定を報告した。

 関連項目 


 真空偏極

 オイラー=ハイゼンベルグ・ラグランジアン


 引用 

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