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Im Rahmen dieser Arbeit sind Experimente zur Bestimmung der 1s Lamb-Verschiebung in wasserstoffartigen Schwerionen und zur Bestimmung des Innerschalenübergangs 2 3P2 --> 2 3S1 in heliumartigen Schwerionen durchgeführt worden. Diese Untersuchungen sind interessant, da es sich hierbei um die Überprüfung der Quantenelektrodynamik im Bereich sehr starker Coulombfelder handelt. Neben den reinen QED-Effekten spielen in diesen schweren Systemen auch relativistische Effekte eine immer bedeutendere Rolle. Es ist erstmals gelungen, eine direkte Messung des Innerschalenübergangs 2 3P2 --> 2 3S1 in einem schweren Z-System durchzuführen. Während in bisherigen Experimenten lediglich leichtere Ionen bis zu einer Kernladungszahl Z = 54 untersucht wurden, sind wir mit unserem Experiment an U90+-Ionen in den Bereich schwerer Systeme vorgedrungen. Zur Energiebestimmung sind am Gastarget des Experimentier-speicherrings (ESR) ein Kristallspektrometer unter einem Beobachtungswinkel von 90° und ein einfacher planarer Germaniumdetektor unter einem Winkel von 35° aufgebaut worden. Das Kristallspektrometer ermöglicht eine hohe Energieauflösung, während der Germaniumdetektor einen breiten Energiebereich abdeckt und somit eine eindeutige Identifizierung der Übergänge ermöglicht. Ein Fit des aufgenommenen Energiespektrums mit einer Simulation zeigt, wie gut die theoretischen Vorhersagen die Übergangsdynamik in diesem Zwei-Elektronen-System beschreiben. Der Innerschalenübergang kann eindeutig von benachbarten Übergängen unterschieden werden. Mit dem Kristallspektro-meter ergibt sich eine Übergangsenergie von 4510,31 ± 0,51 eV, mit dem Germanium-detektor 4509,6 ± 1,5 eV. Beide stimmen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein. Durch den geringen Fehler von 0,51 eV stellt diese Messung auch im Vergleich mit den vorhergehenden Experimenten in leichten Systemen eine der genauesten Messungen des Innerschalenübergangs in He-artigen Ionen dar. Zusätzlich dazu kann die Differenz der Innerschalenübergangsenergie von Li-artigem und He-artigem Uran ermittelt werden: 50,94 ± 0,45 eV. Mit dieser Genauigkeit ist unser Experiment empfindlich auf die Zwei-Elektronen-QED und ermöglicht erstmal eine experimentelle Überprüfung dieses Beitrags, der von Kozhedub et al. mit 1,18 eV angegeben wird. Zur Untersuchung der 1s Lamb-Verschiebung von wasserstoffartigen Schwerionen sind bereits eine Vielzahl an Experimenten durchgeführt worden, mit einer maximalen Genauigkeit von 4,6 eV. Die theoretische Auswertung von Korrekturtermen höherer Ordnung erfordert jedoch neue experimentelle Methoden, mit denen sich Genauigkeiten auf dem Niveau von 1 eV und besser erzielen lassen. Dazu hat es ein Nachfolge-experiment zur bisher genauesten Messung der 1s Lamb-Verschiebung in U91+ und des Zwei-Elektronen-Beitrags zum Grundzustand in U90+ am Elektronenkühler gegeben. Hierzu ist das Experiment bei einer niedrigeren Strahlenergie durchgeführt worden. Dabei hat sich allerdings gezeigt, Ionenstrahlen mit einer Energie unterhalb von 20MeV/u besitzen zu kurze Lebensdauern, da bei den niedrigeren Energien die Rekombinationsverluste mit dem Restgas sehr hoch werden und der Ionenstrahl aus technischen Gründen noch einmal umgebuncht werden muss, wobei zusätzlich Zeit und Intensität verloren gehen. Als weiterer Schritt auf dem Weg zu höherer Präzision ist eine Kombination aus einem hochauflösenden Kristallspektrometer (FOCAL) und einem neuartigen orts- und energieauflösenden 2dimensionalen Germaniumdetektor getestet worden. Mit diesem Detektor ist es möglich, mehrere Reflexe gleichzeitig zu messen und somit die Effizienz des Experimentes deutlich zu steigern. Allerdings ist die maximale Energieauflösung bisher über die 250 µm Streifenbreite des Detektors definiert, das entspricht etwas weniger als 200 eV. Tests mit Kalibrationsquellen und das Verfahren des Detektors entlang der Dispersionsachse haben jedoch gezeigt, dass eine Auflösung kleiner als ein Streifen erreichbar ist. Dadurch soll eine Genauigkeit von 1 eV erreicht werden. Die Bewegung der Detektoren, die bei der letzten Strahlzeit einen erheblichen systematischen Fehler verursacht hat, kann mit neuen Detektorplattformen und kontinuierlicher Stickstofffüllung deutlich reduziert werden. Bei den alternativen Methoden Mikrokalorimeter und Absorptionskantenspektroskopie scheinen Mikrokalorimeter eine vielversprechend Entwicklung zu sein, da sie sowohl eine hohe Energieauflösung bieten als auch einen breiten Energiebereich abdecken. Dagegen beinhaltet die Absorptionskantenspektroskopie im Vergleich zu den anderen Methoden zu große systematische Fehler. Aus den Ergebnissen des Experimentes zum Innerschalenübergang und des FOCAL-Commissioning-Experimentes zeigt sich, wie erfolgsversprechend der Einsatz von Kristallspektrometern auf dem Weg zu neuen hochpräzisen Experimenten ist.
In the classical Dirac equation with strong potentials, called overcritical, a bound state reaches the negative continuum. In QED the presence of a static overcritical external electric field leads to a charged vacuum and indicates spontaneous particle creation when the overcritical field is switched on. The goal of this work is to clarify whether this effect exists, i.e. if it can be uniquely defined and proved, in time-dependent physical processes. Starting from a fundamental level of the theory we check all mathematical and interpretational steps from the algebra of fields to the very effect. In the first, theoretical part of this thesis we introduce the mathematical formulation of the classical and quantized Dirac theory with their most important results. Using this language we define rigorously the notion of spontaneous particle creation in overcritical fields. First, we give a rigorous definition of resonances as poles of the resolvent or the Green's function and show how eigenvalues become resonances under Hamiltonian perturbations. In particular, we consider essential for overcritical potentials perturbation of eigenvalues at the edge of the continuous spectrum. Next, we gather various adiabatic theorems and discuss well-posedness of the scattering in the adiabatic limit. Then, we construct Fock space representations of the field algebra, study their equivalence and give a unitary implementer of all Bogoliubov transformations induced by unitary transformations of the one-particle Hilbert space as well as by the projector (or vacuum vector) changes as long as they lead to unitarily equivalent Fock representations. We implement in Fock space self-adjoint and unitary operators from the one-particle space, discussing the charge, energy, evolution and scattering operators. Then we introduce the notion of particles and several particle interpretations for time-dependent processes with a different Fock space at every instant of time. We study how the charge, energy and number of particles change in consequence of a change of representation or in implemented evolution or scattering processes, what is especially interesting in presence of overcritical potentials. Using this language we define rigorously the notion of spontaneous particle creation. Then we look for physical processes which show the effect of vacuum decay and spontaneous particle creation exclusively due to the overcriticality of the potential. We consider several processes with static as well as suddenly switched on (and off) static overcritical potentials and conclude that they are unsatisfactory for observation of the spontaneous particle creation. Next, we consider properties of general time-dependent scattering processes with continuous switch on (and off) of an overcritical potential and show that they also fail to produce stable signatures of the particle creation due to overcriticality. Further, we study and successfully define the spontaneous particle creation in adiabatic processes, where the spontaneous antiparticle is created as a result of a resonance (wave packet) decay in the negative continuum. Unfortunately, they lead to physically questionable pair production as the adiabatic limit is approached. Finally, we consider extension of these ideas to non-adiabatic processes involving overcritical potentials and argue that they are the best candidate for showing the spontaneous pair creation in physical processes. Demanding creation of the spontaneous antiparticle in the state corresponding to the overcritical resonance rather quick than slow processes should be considered, with a possibly long frozen overcritical period. In the second part of this thesis we concentrate on a class of spherically symmetric square well potentials with a time-dependent depth. First, we solve the Dirac equation and analyze the structure and behaviour of bound states and appearance of overcriticality. Then, by analytic continuation we find and discuss the behaviour of resonances in overcritical potentials. Next, we derive and solve numerically (introducing a non-uniform continuum discretization for a consistent treatment of narrow peaks) a system of differential equations (coupled channel equations) to calculate particle and antiparticle production spectra for various time-dependent processes including sudden, quick, slow switch on and off of a sub- and overcritical potentials. We discuss in detail how and under which conditions an overcritical resonance decays during the evolution giving rise to the spontaneous production of an antiparticle. We compare the antiparticle production spectrum with the shape of the resonance in the overcritical potential. We study processes, where the overcritical potentials are switched on at different speed and are possibly frozen in the overcritical phase. We prove, in agreement with conclusions of the theoretical part, that the peak (wave packet) in the negative continuum representing a dived bound state partially follows the moving resonance and partially decays at every stage of its evolution. This continuous decay is more intensive in slow processes, while in quick processes the wave packet more precisely follows the resonance. In the adiabatic limit, the whole decay occurs already at the edge of the continuum, resulting in production of antiparticles with vanishing momentum. In contrast, in quick switch on processes with delay in the overcritical phase, the spectrum of the created antiparticles agrees best with the shape of the resonance. Finally, we address the question how much information about the time-dependent potential can be reconstructed from the scattering data, represented by the particle production spectrum. We propose a simple approximation method (master equation) basing on an exponential, decoherent decay of time-dependent resonances for prediction of particle creation spectra and obtain a good agreement with the results of full numerical calculations. Additionally, we discuss various sources of errors introduced by the numerical discretization, find estimations for them and prove convergence of the numerical schemes.
Die Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) starker Felder sagt vorher, dass sich unter dem Einfluss sehr starker elektromagnetischer Felder der Vakuumzustand verändert. Überschreitet das äußere (im einfachsten Fall elektrostatische) Feld eine gewisse kritische Stärke, dann kommt es zur spontanen Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren und im Gefolge zur Ausbildung eines geladenen Vakuums. Charakteristisch dafür sind gebundene Elektronenzustände mit einer Bindungsenergie von mehr als der doppelten Ruhenergie. Dieser Effekt wurde bisher meist für sphärisch symmetrische Systeme untersucht, insbesondere für das Coulombpotential eines schweren Kerns. In der vorliegenden Arbeit wird erkundet, wie sich das überkritische Phänomen beim Übergang von sphärischer zu zylindrischer Geometrie verhält. Dazu werden die Lösungen der Dirac-Gleichung für Elektronen im elektrostatischen Potential eines langen dünnen geladenen Zylinders ("geladener String") berechnen und darauf aufbauend das überkritische Phänomen untersucht. Da das logarithmische Potential eines unendlich langen Strings unbegrenzt anwächst, sollten alle Elektronzustände überkritisch sein (Möglichkeit des Tunnelns durch den Teilchen-Antiteilchen-Gap). Die Zentralladung sollte sich dann mit einer entgegengesetzt geladenen Hülle aus Vakuumelektronen umgeben und damit neutralisieren. Um diese Phänomene quantitativ zu beschreiben untersuchen wir die Lösungen der Poisson-Gleichung und der der Dirac-Gleichung in Zylindersymmetrie. Zunächst wird eine Reihenentwicklung für das elektrostatische Potential in der Mittelebene eines homogen geladenen Zylinders von endlicher Länge und endlichem Radius hergeleitet. Anschließend benutzen wir den Tetraden- (Vierbein-) Formalismus zur Separation der Dirac-Gleichung in Zylinderkoordinaten. Die resultierende entkoppelte radiale Dirac-Gleichung wird in eine Schrödinger-artige Form transformiert. Die gebundenen Zustände werden mit der Methode der uniformen Approximation, einer Variante der WKB-Näherung, berechnet und ihre Abhängigkeit von den Parametern Stringlänge, Stringradius und Potentialstärke wird studiert. Die Näherungsmethode wird auch benutzt, um den überkritischen Fall zu untersuchen, bei dem sich die gebundenen Zustände in Resonanzen im Antiteilchen-Kontinuum verwandeln. Der zugehörige Tunnelprozess wird studiert und die Resonanz-Lebensdauer abgeschätzt. Schließlich wird das Problem der Vakuumladung und Selbstabschirmung angegangen. Die Vakuumladung wird durch Aufsummation der Ladungsdichten aller überkritischen (quasi-)gebundenen Zustände berechnet. Die Vakuumladung tritt als Quellterm in der Poisson-Gleichung für das elektrostatische Potential auf, welches wiederum die Wellenfunktionen bestimmt. Auf die volle selbstkonsistente Lösung dieses Problems wird verzichtet. Wir zeigen jedoch dass die Vakuumladung wie erwartet gross genug ist, um eine Totalabschirmung des geladenen Strings zu bewirken.