En electrodinámica cuántica (QED), el límite de Schwinger es una escala por encima de la cual se espera que el campo electromagnético se vuelva no lineal . El límite se derivó por primera vez en uno de los primeros éxitos teóricos de QED por Fritz Sauter en 1931 [1] y discutido más a fondo por Werner Heisenberg y su alumno Hans Heinrich Euler . [2] El límite, sin embargo, se denomina comúnmente en la literatura [3] para Julian Schwinger , quien derivó las principales correcciones no lineales a los campos y calculó la tasa de producción de pares electrón-positrónen un campo eléctrico fuerte. [4] El límite se informa típicamente como un campo eléctrico o campo magnético máximo antes de la no linealidad para el vacío de
donde m e es la masa del electrón , c es la velocidad de la luz en el vacío, q e es la carga elemental y ħ es la constante de Planck reducida . Éstas son intensidades de campo enormes. Tal campo eléctrico es capaz de acelerar un protón desde el reposo hasta la energía máxima alcanzada por los protones en el Gran Colisionador de Hadrones en solo aproximadamente 5 micrómetros. El campo magnético está asociado con la birrefringencia del vacío y se excede en los magnetares .
En el vacío, las ecuaciones clásicas de Maxwell son ecuaciones diferenciales perfectamente lineales . Esto implica, por el principio de superposición , que la suma de dos soluciones cualesquiera de las ecuaciones de Maxwell es otra solución de las ecuaciones de Maxwell. Por ejemplo, dos haces de luz que se cruzan deberían simplemente sumar sus campos eléctricos y pasar uno a través del otro. Así, las ecuaciones de Maxwell predicen la imposibilidad de cualquier dispersión elástica fotón-fotón que no sea trivial . En QED, sin embargo, la dispersión fotón-fotón no elástica se vuelve posible cuando la energía combinada es lo suficientemente grande como para crear pares virtuales electrón-positrón de manera espontánea, ilustrada por el diagrama de Feynman en la figura adyacente.
Una sola onda plana es insuficiente para causar efectos no lineales, incluso en QED. [4] La razón básica de esto es que una sola onda plana de una energía dada siempre puede verse en un marco de referencia diferente , donde tiene menos energía (lo mismo ocurre con un solo fotón). Una sola onda o fotón no tiene un centro de marco de momento en el que su energía debe tener un valor mínimo. Sin embargo, dos ondas o dos fotones que no viajan en la misma dirección siempre tienen una energía mínima combinada en su centro del marco de momento, y es esta energía y las intensidades del campo eléctrico asociadas con ella, las que determinan la creación de partículas-antipartículas y la dispersión asociada. fenómenos.
La dispersión fotón-fotón y otros efectos de la óptica no lineal en el vacío es un área activa de investigación experimental, y la tecnología actual o planificada comienza a acercarse al límite de Schwinger. [5] Ya se ha observado a través de canales inelásticos en el Experimento 144 de SLAC. [6] [7] Sin embargo, no se han observado efectos directos en la dispersión elástica. A partir de 2012, la mejor restricción en la sección transversal elástica de dispersión de fotones-fotones pertenecía a PVLAS , que informó un límite superior muy por encima del nivel predicho por el Modelo Estándar . [8]
Se hicieron propuestas para medir la dispersión elástica luz a luz utilizando los fuertes campos electromagnéticos de los hadrones que colisionaron en el LHC . [9] En 2019, el experimento ATLAS en el LHC anunció la primera observación definitiva de la dispersión fotón-fotón, observada en colisiones de iones de plomo que produjeron campos tan grandes como10 25 V / m , muy por encima del límite de Schwinger. [10] La observación de una sección transversal mayor o menor que la predicha por el Modelo Estándar podría significar una nueva física como los axiones , cuya búsqueda es el objetivo principal de PVLAS y varios experimentos similares. ATLAS observó más eventos de los esperados, evidencia potencial de que la sección transversal es mayor que la predicha por el Modelo Estándar, pero el exceso aún no es estadísticamente significativo. [11]
El ELI -Ultra High Field Facility planificado y financiado , que estudiará la luz en la frontera de intensidad, probablemente se mantendrá muy por debajo del límite de Schwinger [12], aunque todavía es posible observar algunos efectos ópticos no lineales. [13] La Estación de Luz Extrema (SEL) es otra instalación láser en construcción que debería ser lo suficientemente potente como para observar el efecto. [14] Este experimento, en el que la luz ultra intensa provoca la producción de pares, ha sido descrito en los medios populares como la creación de una " hernia " en el espacio-tiempo. [15]
Ver también
- Julian Schwinger
- Efecto Schwinger
- Efecto Sokolov-Ternov
- Polarización de vacío
Referencias
- ^ F. Sauter (1931), "Über das Verhalten eines Elektrons im homogenen elektrischen Feld nach der relativistischen Theorie Diracs", Zeitschrift für Physik (82 ed.): 742–764, doi : 10.1007 / BF01339461 , S2CID 122120733
- ^ W. Heisenberg y H. Euler (1936), "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons", Zeitschrift für Physik (98 ed.), 98 (11-12): 714-732, doi : 10.1007 / BF01343663 , S2CID 120354480Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace ) Traducción en inglés
- ^ M. Buchanan (2006), "Tesis: Más allá del límite de Schwinger", Nature Physics (2 ed.): 721, doi : 10.1038 / nphys448 , S2CID 119831515
- ^ a b J. Schwinger (1951), "Sobre la invarianza de calibre y la polarización al vacío", Phys. Rev. (82 ed.), 82 (5): 664–679, doi : 10.1103 / PhysRev.82.664
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- ^ Berboucha, Meriame. "Este láser podría destrozar el espacio vacío" . Forbes . Consultado el 18 de febrero de 2021 .
- ^ I. O'Neill (2011). "¿Un láser para darle al universo una hernia?" . Noticias de descubrimiento. Archivado desde el original el 3 de noviembre de 2011.