Оптическая теорема и дихроизм вакуума в электромагнитном поле, рождающем пары
Российский научный фонд, Проведение инициативных исследований молодыми учеными, 23-72-01068
Александров И.А.
1,2, Чубуков Д.В.
31Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
2Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
3Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

Email: i.aleksandrov@spbu.ru, dmitrybeat@gmail.com
Поступила в редакцию: 8 мая 2025 г.
В окончательной редакции: 8 мая 2025 г.
Принята к печати: 12 мая 2025 г.
Выставление онлайн: 18 июля 2025 г.
Исследована связь процессов распада фотона на электрон-позитронную пару и излучения фотона из вакуума с рождением пары во внешнем элекромагнитном поле. Известно, что в том случае, когда внешнее поле не способно рождать частицы из вакуума в нулевом порядке по радиационному взаимодействию, вклад излучения также равен нулю, а вероятность распада фотона в соответствии с оптической теоремой можно связать с мнимой частью диаграммы Фейнмана второго порядка, содержащей фермионную петлю. В данной работе основное внимание уделено задаче с нестабильным вакуумом. Показано, что в этом случае утверждение оптической теоремы модифицируется, покольку к вероятности распада фотона нужно прибавлять уже ненулевую вероятность излучения с рождением пары. В рамках численного расчета обе эти вероятности получены непертурбативно по взаимодействию с внешним переменным электрическим полем для различных поляризаций фотона. Результаты вычисления мнимой части однопетлевой диаграммы оказались в полном согласии с оптической теоремой. При этом показано, что приближение локально постоянного поля неприменимо в области низких энергий фотона и может давать существенную ошибку в высокоэнергетической области. В работе также проведен анализ явления дихроизма вакуума, т. е. зависимости вышеописанных вкладов от поляризации фотона. Ключевые слова: квантовая электродинамика, сильные поля, нелинейные эффекты, дихроизм, поляризационный тензор, двулучепреломление.
- В.Б. Берестецкий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский. Теоретическая физика. Т. IV. Квантовая электродинамика (Наука, М., 1989)
- Д.М. Гитман, Е.С. Фрадкин, Ш.М. Шварцман. Квантовая электродинамика с нестабильным вакуумом (Наука, М., 1991)
- В.И. Ритус. Труды ФИАН, 111, 5 (1979)
- A. Gonoskov, T.G. Blackburn, M. Marklund, S.S. Bulanov. Rev. Mod. Phys., 94, 045001 (2022). DOI: 10.1103/RevModPhys.94.045001
- A. Fedotov, A. Ilderton, F. Karbstein, B. King, D. Seipt, H. Taya, G. Torgrimsson. Phys. Rep., 1010, 1 (2023). DOI: 10.1016/j.physrep.2023.01.003
- С.В. Попруженко, А.М. Федотов. УФН, 193, 491 (2023). DOI: 10.3367/UFNr.2023.03.039335
- M. Lestinsky et al. Eur. Phys. J. Spec. Top., 225, 797 (2016). DOI: 10.1140/epjst/e2016-02643-6
- X. Ma et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 408, 169 (2017). DOI: 10.1016/j.nimb.2017.03.129
- G.M. Ter-Akopian, W. Greiner, I.N. Meshkov, Y.T. Oganessian, J. Reinhardt, G.V. Trubnikov. Int. J. Mod. Phys. E, 24, 1550016 (2015). DOI: 10.1142/S0218301315500160
- I.A. Aleksandrov, A. Di Piazza, G. Plunien, V.M. Shabaev. Phys. Rev. D, 105, 116005 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevD.105.116005
- I.A. Aleksandrov, D.V. Chubukov, V.M. Shabaev. Готовится к публикации
- S. Bragin, S. Meuren, C.H. Keitel, A. Di Piazza. Phys. Rev. Lett., 119, 250403 (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.250403
- И.А. Баталин, А.Е. Шабад. Препр. ФИАН, 166 (1968)
- Н.Б. Нарожный. ЖЭТФ, 55, 714 (1968)
- V.I. Ritus. Ann. Phys., 69, 555 (1972). DOI: 10.1016/0003-4916(72)90191-1
- S. Meuren, C.H. Keitel, A. Di Piazza. Phys. Rev. D, 88, 013007 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevD.88.013007
- R.S. Scorer. Q. J. Mech. Appl. Math., 3, 107 (1950). DOI: 10.1093/qjmam/3.1.107
- I.A. Aleksandrov, V.M. Shabaev. ЖЭТФ, 166, 182 (2024). DOI: 10.31857/S0044451024080042
- И.А. Александров, Д.В. Чубуков, А.Г. Ткачев, А.И. Клочай. Опт. и спектр., 132, 957 (2024). DOI: 10.61011/OS.2024.09.59194.7009-24
- J. Schwinger. Phys. Rev., 82, 664 (1951). DOI: 10.1103/PhysRev.82.664
- A. Di Piazza, K.Z. Hatsagortsyan, C.H. Keitel. Phys. Rev. D, 72, 085005 (2005). DOI: 10.1103/PhysRevD.72.085005
- A.M. Fedotov, N.B. Narozhny. Phys. Lett. A, 362, 1 (2007). DOI: 10.1016/j.physleta.2006.09.085
- F. Karbstein, R. Shaisultanov. Phys. Rev. D, 91, 113002 (2015). DOI: 10.1103/PhysRevD.91.113002
- A. Otto, B. Kampfer. Phys. Rev. D, 95, 125007 (2017). DOI: 10.1103/PhysRevD.95.125007
- H. Gies, F. Karbstein, C. Kohlfurst. Phys. Rev. D, 97, 036022 (2018). DOI: 10.1103/PhysRevD.97.036022
- I.A. Aleksandrov, G. Plunien, V.M. Shabaev. Phys. Rev. D, 100, 116003 (2019). DOI: 10.1103/PhysRevD.100.116003
- I.A. Aleksandrov, A.D. Panferov, S.A. Smolyansky. Phys. Rev. A, 103, 053107 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevA.103.053107
- J.S. Toll. Ph.D. thesis, Princeton Univ., 1952
- R. Baier, P. Breitenlohner. Acta Phys. Austriaca, 25, 212 (1967)
- R. Baier, P. Breitenlohner. Nuovo Cimento B, 47, 117 (1967). DOI: 10.1007/BF02712312
- В.Н. Байер, А.И. Мильштейн, В.М. Страховенко. ЖЭТФ, 69, 1893 (1975)
- W. Becker, H. Mitter. J. Phys. A, 8, 1638 (1975). DOI: 10.1088/0305-4470/8/10/017
- Е.Б. Александров, А.А. Ансельм, А.Н. Москалев. ЖЭТФ, 89, 1181 (1985)
- A. Di Piazza, K.Z. Hatsagortsyan, C.H. Keitel. Phys. Rev. Lett., 97, 083603 (2006). DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.083603
- T. Heinzl, B. Liesfeld, K. U. Amthor, H. Schwoerer, R. Sauerbrey, A. Wipf. Opt. Commun., 267, 318 (2006). DOI: 10.1016/j.optcom.2006.06.053
- F. Karbstein, H. Gies, M. Reuter, M. Zepf. Phys. Rev. D, 92, 071301(R) (2015). DOI: 10.1103/PhysRevD.92.071301
- H.-P. Schlenvoigt, T. Heinzl, U. Schramm, T. E. Cowan, R. Sauerbrey. Phys. Scr., 91, 023010 (2016). DOI: 10.1088/0031-8949/91/2/023010
- F. Karbstein, E.A. Mosman. Phys. Rev. D, 101, 113002 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevD.101.113002
- F. Karbstein, D. Ullmann, E.A. Mosman, M. Zepf. Phys. Rev. Lett., 129, 061802 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061802
- N. Ahmadiniaz, T.E. Cowan, J. Grenzer, S. Franchino-Vinas, A. Laso Garcia, M. S vSmid, T. Toncian, M.A. Trejo, R. Schutzhold. Phys. Rev. D, 108, 076005 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.108.076005