Эффект Швингера

В присутствии сильного постоянного электрического поля электроны e ⁻ , и позитроны, e ⁺ , будет создан спонтанно.

Эффект Швингера — это предсказанное физическое явление, при котором материя создается сильным электрическим полем . Его также называют эффектом Заутера-Швингера , механизмом Швингера или рождением пар Швингера . Это предсказание квантовой электродинамики (КЭД), в которой пары электрон - позитрон спонтанно создаются в присутствии электрического поля, тем самым вызывая распад электрического поля. Эффект был первоначально предложен Фрицем Заутером в 1931 году. Дальнейшая важная работа была проведена Вернером Гейзенбергом и Гансом Генрихом Эйлером в 1936 году. хотя только в 1951 году Джулиан Швингер дал полное теоретическое описание.

Эффект Швингера можно рассматривать как распад вакуума в присутствии электрического поля. Хотя идея распада вакуума предполагает, что что-то создается из ничего, тем не менее, законы физического сохранения соблюдаются. друг друга Чтобы понять это, обратите внимание, что электроны и позитроны являются античастицами с идентичными свойствами, за исключением противоположного электрического заряда .

Для сохранения энергии электрическое поле теряет энергию при создании пары электрон-позитрон на величину, равную $2m_{\text{e}}c^{2}$, где $m_{\text{e}}$ электрона - масса покоя и $c$ это скорость света . Электрический заряд сохраняется, поскольку пара электрон-позитрон нейтральна по заряду. Линейный и угловой моменты сохраняются, поскольку в каждой паре электрон и позитрон создаются с противоположными скоростями и спинами. Фактически, ожидается, что электрон и позитрон будут созданы в (близком) состоянии покоя, а затем впоследствии будут ускорены друг от друга электрическим полем.

Математическое описание

Образование пар Швингера в постоянном электрическом поле происходит с постоянной скоростью на единицу объема, обычно называемой $\Gamma$. Ставку впервые рассчитал Швингер. и при ведущем ( однопетлевом ) порядке равен

$\Gamma ={\frac {(eE)^{2}}{4\pi ^{3}\hbar ^{2}c}}\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n^{2}}}\exp \left\{-{\frac {\pi m^{2}c^{3}n}{\hbar eE}}\right\}$

где $m$ - масса электрона, $e$ – элементарный заряд , а $E$ – напряженность электрического поля. Эту формулу нельзя разложить в ряд Тейлора по $e^{2}$, показывая непертурбативную природу этого эффекта. С точки зрения диаграмм Фейнмана , можно получить скорость образования пар Швингера, суммируя бесконечный набор диаграмм, показанных ниже, содержащих одну электронную петлю и любое количество внешних фотонных ветвей, каждая из которых имеет нулевую энергию.

Бесконечный набор диаграмм Фейнмана, важных для рождения пар Швингера.

Экспериментальные перспективы

Первоначальный эффект Швингера в квантовой электродинамике никогда не наблюдался из-за требуемой чрезвычайно сильной напряженности электрического поля. Образование пар происходит экспоненциально медленно, когда напряженность электрического поля намного ниже предела Швингера , что соответствует примерно 10 ¹⁸ В/м . При существующих и планируемых лазерных установках такая напряженность электрического поля является недопустимо сильной, поэтому были предложены различные механизмы, позволяющие ускорить процесс и тем самым уменьшить напряженность электрического поля, необходимую для его наблюдения.

Скорость образования пар может быть значительно увеличена в электрических полях, зависящих от времени. и поэтому проводятся эксперименты с лазерами высокой интенсивности, такие как Extreme Light Infrastructure . Другая возможность — включить сильно заряженное ядро, которое само по себе создает сильное электрическое поле.

Согласно электромагнитной двойственности , тот же механизм в магнитном поле должен создавать магнитные монополи , если они существуют. Поиск, проведенный экспериментом MoEDAL с использованием Большого адронного коллайдера, не смог обнаружить монополи, а анализ показал, что нижняя граница массы монополя составляет 75 ГэВ/ с. ² на уровне достоверности 95%.

В январе 2022 года исследователи из Национального института графена под руководством Андре Гейма и ряда других сотрудников сообщили о наблюдении аналогичного процесса между электронами и дырками в точке Дирака сверхрешетки и графена на гексагональном нитриде бора (G/hBN) еще один из скрученного двухслойного графена (ТБГ). Интерпретация как туннелирование Зинера – Клейна (смесь между туннелированием Зенера и туннелированием Клейна ). В июне 2023 года исследователи из Ecole Normale Supérieure в Париже и их сотрудники сообщили о количественном измерении скорости образования швингеровских пар в легированных графеновых транзисторах в одномерной геометрии.

См. также

• предел осциллятора
• Поляризация вакуума
• Потенциал Юлинга
• Лагранжиан Эйлера – Гейзенберга
• эксперимент МоЭДАЛ