چگونگی عکس العمل تابشی برای حرکت شتابدار ذرات باردار

شرح دقیق مسئله

الکترون‌های شتاب‌دار تشعشعات الکترومغناطیسی ساطع می‌کنند، اثری که می‌توانیم هر روز در رنگ آسمان یا زمانی که آنتن‌ها امواج رادیویی تولید می‌کنند تا موسیقی را به ماشین‌هایمان بفرستیم، درک کنیم. شاید یک ایده کمتر آشنا این باشد که تابش ساطع شده بر خود الکترون یک واکنش معکوس اعمال می کند، که اثری مانند اصطکاک میرایی دارد (تصویر 1). فیزیکدانان برای اولین بار این "واکنش تشعشعی" را به صورت نظری در اوایل دهه 1900 مطالعه کردند. با این حال، این اثر تنها زمانی قابل توجه است که اتلاف انرژی الکترون در مقایسه با نیروی شتاب دهنده، که مربوط به شتاب گرفتن الکترون در قاب استراحت خود در عرض چند یوکتو ثانیه است (۲۴-۱۰ ثانیه) زیاد باشد. [1]. در حالی که این شرایط را می توان در محیط های اخترفیزیکی از راه دور، مانند پلاسمای اطراف یک تپ اختر، برآورده کرد، یافتن آن در آزمایشگاه بسیار سخت تر است. دو مقاله [2، 3] اندازه‌گیری‌های اولیه اتلاف انرژی الکترون‌ها از واکنش تابشی را گزارش می‌کنند که از «تکان دادن» الکترون‌ها با یک میدان الکترومغناطیسی بسیار شدید ناشی می‌شود. هر دو آزمایش از یکی از قوی‌ترین لیزرهای جهان استفاده کردند، اما دو مقاله نتایج متفاوتی در مورد اینکه کدام مدل داده‌ها را به بهترین شکل توصیف می‌کند، ارائه می‌کند. این واقعیت که یک الکترون شتاب دهنده تابش می کند به این معنی است که بیان لورنتز آشنا برای نیروی وارد بر یک الکترون در یک میدان الکترومغناطیسی ناقص است. به عنوان مثال، یک الکترون در یک میدان مغناطیسی ثابت و یکنواخت را در نظر بگیرید. نیروی لورنتز پیش‌بینی می‌کند که الکترون تحت حرکت دایره‌ای ثابت قرار می‌گیرد، اما این از نظر فنی امکان‌پذیر نیست، زیرا بار انرژی را از خود ساطع می‌کند. بنابراین برای توصیف حرکت واقعی بار، عبارات اضافی باید به معادله لورنتس اضافه شود تا اثر میرایی تابش الکترون را توضیح دهد. متن کلاسیک لاندو و لیفشیتز در مورد تئوری میدان‌ها [4] بیانی برای نیروی واکنش تشعشعی ارائه می‌کند، که وقتی پس‌زدگی الکترون ناچیز باشد، به خوبی کار می‌کند. با این حال، هنگامی که الکترون تابش با فرکانس بالا (تکانه بزرگ) ساطع می کند - شرایطی که ممکن است زمانی که الکترون های پرانرژی با میدان های الکترومغناطیسی قوی مواجه می شوند برآورده شود - پس زدن الکترون می تواند قابل توجه باشد. پس زدن به اندازه کافی بزرگ با رژیم به اصطلاح واکنش تابش کوانتومی مطابقت دارد. در اینجا، واکنش تابشی یادآور اثر کامپتون است، که در آن یک فوتون جذب می شود و فوتون دیگری با فرکانس متفاوتی به دلیل پس زدن الکترون بازتاب می شود. تفاوت این است که واکنش تابش کوانتومی هم شامل جذب و هم گسیل بسیاری از فوتون ها می شود و دینامیک الکترون به دلیل ماهیت احتمالی گسیل فوتون قطعی نیست [5]. توصیف این فرآیند به الکترودینامیک کوانتومی نیاز دارد، اما محاسبات درگیر آنقدر پیچیده است که در عوض بر مدل‌های کوانتومی ساده شده تکیه می‌کنیم. 33534351746250تصویر SEQ تصویر \* ARABIC 1 تصویر SEQ تصویر \* ARABIC 1 3353710-446537واکنش تشعشعی، واکنش برگشتی بر روی یک الکترون شتاب‌دار از تابشی است که از خود ساطع می‌کند. معمولاً این اثر کوچک است و می توان آن را به صورت کلاسیک با افزودن یک عبارت به معادله نیروی لورنتس توصیف کرد. اما زمانی که پس زدگی الکترون قابل توجه باشد، توصیف کوانتومی مورد نیاز است. منابع و ارجاعات J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, New York, 1998), p. 745[Amazon][WorldCat]. J. M. Cole et al., “Experimental Evidence of Radiation Reaction in the Collision of a High-Intensity Laser Pulse with a Laser-Wakefield Accelerated Electron Beam,” Phys. Rev. X 8, 011020 (2017). K. Poder et al., “Evidence of Strong Radiation Reaction in the Field of an Ultra-Intense Laser,” arXiv:1709.01861. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, The Classical Theory of Fields, Course of Theoretical Physics Vol. 2 (Pergamon Press, Oxford, 1962), p. 76[Amazon][WorldCat]. A. Di Piazza, C. Müller, K. Z. Hatsagortsyan, and C. H. Keitel, “Extremely High-Intensity Laser Interactions with Fundamental Quantum Systems,” Rev. Mod. Phys. 84, 1177 (2012). رجوع کنید به: https://www.nature.com/articles/s41467-018-03165-4 https://www.nature.com/articles/s42005-019-0164-2