Квантовая электродинамика (КЭД) сильных полей исследует взаимодействие заряженных частиц с электромагнитными полями, величина которых сравнима или превышает характерные квантово-релятивистские масштабы. В частности, речь идёт о полях, близких к критическому полю Швингера Eкр ≈ 1, 3 × 1018 В/м, при котором энергия работы электрического поля на длине Комптона электрона λc = ℏ/mc сравнима с энергией его покоя mc2. При таких условиях вакуум перестаёт быть инертным: возникают нелинейные эффекты, самопроизвольная генерация электрон-позитронных пар, вакуумная поляризация и изменение дисперсионных свойств электромагнитных волн.
Современная аттосекундная физика тесно связана с достижением экстремальных интенсивностей лазерного излучения. Величина интенсивности порядка
I ∼ 1022 − 1023 Вт/см2
соответствует напряжённости поля близкой к 1014 − 1015 В/см. Хотя эти значения пока ниже поля Швингера, комбинация с высокоэнергетическими релятивистскими электронами позволяет достичь режимов, где нелинейные квантово-электродинамические процессы становятся наблюдаемыми. Аттосекундные импульсы обеспечивают временное разрешение, достаточное для регистрации динамики виртуальных процессов, таких как зарождение пар и вакуумная поляризация.
В отличие от линейного режима взаимодействия света и материи, в КЭД сильных полей действуют нелинейные механизмы:
Нелинейное комптоновское рассеяние: электрон, взаимодействуя не с одним фотоном, а с множеством квантов лазерного поля, излучает высокоэнергетический фотон. Это приводит к появлению спектров сдвинутых гармоник и к отклонению от классической формулы Комптона.
Нелинейное расщепление фотона (парапродукция): высокоэнергетический фотон, попадая в сверхсильное поле, может превратиться в электрон-позитронную пару. Вероятность процесса резко возрастает при приближении к полю Швингера.
Эффект Швингера: спонтанное рождение пар из вакуума в однородном поле. Хотя пока экспериментально не подтверждён, этот эффект является фундаментальной проверкой КЭД и активно моделируется с помощью экстремальных лазеров и столкновений релятивистских ионных пучков.
Вакуумная поляризация: электромагнитные поля индуцируют виртуальные петли электрон-позитронных пар, что изменяет свойства распространения фотонов. Это проявляется как изменение показателя преломления вакуума, а также как двулучепреломление в сильных магнитных полях.
Для описания процессов в КЭД сильных полей используют безразмерные инварианты, связывающие напряжённость внешнего поля и энергию частиц:
$$ a_0 = \frac{eE}{m \omega c}, $$
где E — амплитуда поля, ω — частота. При a0 ≫ 1 движение электрона становится релятивистским.
$$ \chi = \frac{e\hbar}{m^3 c^4} \sqrt{-(F_{\mu\nu}p^\nu)^2}, $$
где Fμν — тензор электромагнитного поля, pν — 4-импульс частицы. При χ ≳ 1 вероятность рождения пар и нелинейного излучения существенно возрастает.
Эти параметры позволяют классифицировать режимы взаимодействия: классический (a0 ≪ 1, χ ≪ 1), релятивистский (a0 ≫ 1, но χ ≪ 1) и квантово-релятивистский (χ ≳ 1).
Аттосекундные зондирующие импульсы применяются для исследования динамики процессов в реальном времени. Их использование позволяет:
Особое значение имеют эксперименты с коллизией релятивистских электронных пучков и аттосекундных импульсов: в этом случае локальное поле в системе центра масс достигает значений, близких к критическому.
Современные эксперименты по КЭД сильных полей базируются на нескольких технологиях:
Описывать процессы в КЭД сильных полей можно только в рамках нереструктурируемых методов квантовой теории:
Такая комбинация теории и эксперимента позволяет исследовать физику ранее недоступного масштаба — переход от виртуального вакуумного фона к реальным частицам в условиях экстремальных полей.