mgr Łukasz Juchnowski

Promotor: prof. dr hab. David Blaschke

Quantum kinetic approach to particle production in time dependent external fields

I recenzent: prof. dr hab. Wojciech Florkowski,

II recenzent: prof. dr hab. Gerd Roepke

Motywem przewodnim prezentowanej rozprawy doktorskiej jest fizyka silnych pól. Dociekania teoretyczne wskazują, że stan próżni elektrodynamiki kwantowej jest niestabilny w obecności zewnętrznego pola elektromagnetycznego o wysokim natężeniu, co prowadzi do kreacji par elektron-pozytron. Zjawisko to nazywane obecnie efektem Schwingera zostało zapostulowane w latach 30-tych XX wieku, jednakże do dziś nie zostało one bezpośrednio zaobserwowane. Na szczęście, szybki rozwój technologii laserów dużej mocy daje nadzieję na obserwacje zjawiska w ciągu co najwyżej dwóch dekad. Trudności z weryfikacją doświadczalną wymuszają poszukiwania specyficznych sygnałów procesu oraz konfiguracji pól zewnętrznych, które zmaksymalizują ilość produkowanych par. W niniejszej pracy zbadałem tzw. dynamiczny wspomagany efekt Schwingera (dynamically assisted Schwinger effect/mechanism), korzystając z kwantowego równania kinetycznego (quantum kinetic equation). Zjawisko występuje, gdy mamy do czynienia z superpozycją dwóch pól elektrycznych - jednego wolno zmieniającego sią w czasie, o dużym natężeniu oraz drugiego, szybko-zmiennego o mniejszym natężeniu. Uzyskane w tej pracy wyniki pokazują, że taka konfiguracja pól prowadzi do zwiększenia ilości produkowanych par nawet o kilka rzędów wielkości. Innym poruszonym w tej dysertacji zagadnieniem jest interpretacja mechanizmu Schwingera jako indukowanego polem zewnętrznym przejścia fazowego. Do jego opisu zdefiniowałem parametr porządku wyrażający się przez część urojoną pierwszego współczynnika Bogolubow Imα(t), która charakteryzuje zmianę stanu próżni QED pod wpływem pola. Dynamiczny efekt Schwingera można wykorzystać także do opisu zjawisk spoza elektrodynamiki kwantowej. Uogólnione kwantowe równanie kinetyczne pozwala na teoretyczne ujęcie kreacji cząstek z zależną od czasu masą. Używając takiego podejścia, pokazałem możliwy scenariusz nadprodukcji niskoenergetycznych pionów w ostatniej fazie zderzeń ciężkich jonów.

The main theme of this dissertation is physics of strong fields. The vacuum of quantum electrodynamics is unstable in the presence of an external electric field, leading to creation of electron-positron pairs. This today called Schwinger effect was postulated in the 1930s, but still has not been observed. However, recent progress in high-intensity laser technology rises a new hope of experimental confirmation within the next decades. Difficulties with laboratory observation of pairs production drives the interest in studying possible amplification strategies and specific signals of the process. In this work I investigated dynamically assisted Schwinger mechanism in the framework of a quantum kinetic equation. The main idea behind this phenomenon is simple: combine a strong but slowly varying field component with a weak and rapidly changing one, to enhance pairs production. Results showthat in such scenario e+e− yield is increased by orders of magnitude and obtained spectrum of created particles can be helpful to distinguish them from background. Another theme considered here is treating Schwinger effect as a field induced phase transition. In order to quantify the idea I postulated an order parameter given by imaginary part of the first Bogoliubov coefficient Imα(t) which characterize QED vacuum change under the influence of an external field. The application of Schwinger mechanism is not only restricted to QED. The quantum kinetic equation can be generalized to describe particles with time-dependent masses. Using such approach I showed a possible scenario of low momentum pion enhancement in the last stage of heavy ion collisions.
recenzja - prof. dr hab. W. Florkowski
recenzja - prof. dr hab. Gerd Roepke

Niniejsza praca jest oparta na następujących publikacjach:
1. Kinetic Approach to Pair Production in Strong Fields — Two Lessons for Applications to Heavy-Ion Collisions; David B. Blaschke, Łukasz Juchnowski, Andreas Otto, Particles 2 (2019) no.2, 166-179 (mój wkład: szkic, 50% obliczeń analitycznych, numeryka, wszystkie wykresy)
2. Nonequilibrium meson production in strong fields; L. Juchnowski, D.Blaschke, T. Fischer, S.A. Smolyansky, J.Phys.Conf.Ser. 673 (2016) no.1, 012009
(mój wkład: szkic, obliczenia analityczne, numeryka, wszystkie wykresy)
3. Low-momentum pion enhancement from schematic hadronization of agluon-saturated initial state; Elizaveta Nazarova, Łukasz Juchnowski, David Blaschke, Tobias Fischer, Particles 2 (2019) no. 1, 140-149 (mój wkład: cześć szkicu, obliczenia analityczne, numeryka)
4. Assisted dynamical Schwinger effect: pair production in a pulsed bifrequent field Anatoly D. Panferov, Stanislav A. Smolyansky, Andreas Otto, Burkhard Kämpfer, David B. Blaschke, Łukasz Juchnowski, Eur.Phys.J. D70 (2016) no. 3, 56 (mój wkład: pewne cześci szkicu, numeryka, wykres)

This thesis is based on following publications
1. Kinetic Approach to Pair Production in Strong Fields — Two Lessons for Applications to Heavy-Ion Collisions; David B. Blaschke, Lukasz Juchnowski, Andreas OttoParticles 2 (2019) no. 2, 166-179 (my contribusion: draft, at least half of analytical calculations, numerics, all plots)
2. Nonequilibrium meson production in strong fields; L. Juchnowski, D.Blaschke, T. Fischer, S.A. Smolyansky, J.Phys.Conf.Ser. 673 (2016) no. 1, 012009 (my contribution: draft, analytical calculation, numerics, plots)
3. Low-momentum pion enhancement from schematic hadronization of agluon-saturated initial state; Elizaveta Nazarova, Lukasz Juchnowski, David Blaschke, Tobias Fischer,  Particles 2 (2019) no. 1, 140-149 (my contribution: partly draft, analytical calculation, numerics)
4. Assisted dynamical Schwinger effect: pair production in a pulsed bifrequent field; Anatoly D. Panferov, Stanislav A. Smolyansky, Andreas Otto, Burkhard Kämpfer, David B. Blaschke, Łukasz Juchnowski, Eur.Phys.J. D70 (2016) no. 3, 56 (my contribution: numerics, part of draft, proof reading, plots)