SUPERVISOR
Mansour Haghighat,Zafarollah Kalantari,Farhang Loran
منصور حقیقت (استاد راهنما) سیدظفراله کلانتری (استاد راهنما) فرهنگ لران اصفهانی (استاد مشاور)
STUDENT
Soroush Shakeri
سروش شاکری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Investigation of Strong-Field QED Processes from high power lasers to X-ray emissions of Pulsars and Hypernovas
QED predictions have been very well tested in the high-energy, low-intensity regime using particle accelerators and spectroscopic experiments. In the presence of strong background fields, QED acquires novel features and one enters an interesting field of physics: strong-field or high-intensity QED. However, many QED processes remain untested in the regime of low photon energy but high photon intensity, and only a few experiments has been made in this regime. The QED quantum vacuum made up of virtual pairs, when exposed to intense light or strong field, effectively behaves as a birefringent medium. This effect which is a manifestation of nonlinear photon-photon scattering is due to nonlinear interactions introduced into the linear Maxwell equation. Detection of vacuum nonlinear electrodynamics effects would be of profound importance for our understanding of the physical vacuum, and therefore possible tests of such effects are of great interest to a wide community of physicists. In this thesis we begin by reviewing prescription of the polarization by Stokes parameters and the evolution in time obeying the quantum Boltzmann equation. Based on this formalism, we consider the polarization effects caused by the photon-photon interaction in laser experiments, when a laser beam propagates through a constant magnetic field or collides with another laser beam. We solved the quantum Boltzmann equation within the framework of the Euler-Heisenberg Lagrangian for both time-dependent and static background fields to explore the time evolution of Stokes parameters Q, U, and V. Our results confirm previous studies in the presence of the constant background field and predict some new effects in the case of time-dependent background fields. These new effects are at the limit of the accuracy that can now be obtainable with high-precision experiments. Astrophysics already offer environments where QED processes may be influential. For astrophysical purposes we explore the impact of nonlinear QED interactions on the polarization evolution of photons propagating through the magnetized vacuum of a pulsar. We find that linearly polarized X-ray photons propagating outward in the magnetosphere of a rotating neutron star can acquire high values for the circular polarization parameter. Meanwhile, it is shown that the polarization characteristics of photons besides photon energy depend strongly on parameters of the pulsars such as magnetic field strength, inclination angle and rotational period. Our results are clear predictions of QED vacuum polarization effects in the near vicinity of magnetic stars which can be tested with the upcoming X-ray polarimetric observations. Besides, we focus on Gamma-Ray Bursts (GRBs) as the most luminous objects in the universe. Since a charged black hole can produce enough energy to power a GR by means of QED pair production and subsequent expansion and annihilation of the plasma, It is possible to trace out Strong-field QED processes by GRB spectral analysis. Here we concentrate on the observational data from different satellites in order to extracting the physical information from spectrums and light curves which are two main observables. Following the standard data reduction procedures and spectral model fitting methods, we find thermal components in the X-ray flares of 13 sources of Binary-driven Hypernovae (BdHN). Thermal components are clear signatures of the presence of electron-positron plasma in thermal equilibrium. Furthermore we consider a universal power-law behavior exhibited by the late X-ray emission of 161 sources of BdHN, by introducing emission angles for each source.
استفاده از شتابدهندههای ذرات و آزمایشهای طیفسنجی به خوبی آزموده شدهاند. در حالیکه در حضور میدانهای زمینهی قوی ظاهر میشوند، که زمینهی جالبی با عنوان حوزهی میدان قوی یا شدتِ زیاد الکترودینامیک کوانتومی QED جنبههای نوینی QED را میسازد و تنها تعداد معدودی آزمایش در این حوزه انجام شده است. بسیاری از فرآیندهای در محدودهی شامل فوتونهایی با انرژی کم و شدتهای زیاد آزموده نشدهاند. خلأ الکترودینامیک کوانتومی از جفت الکترون-پوزیترونهای مجازی پر شده است که وقتی در معرض نوری با شدت زیاد و یا یک میدان مغناطیسی قوی قرار میگیرد، نظیر یک محیط دوشکستی عمل میکند. این ویژگی به سبب اثرات غیرخطی میباشد که تصحیحات کوانتومی به معادلات خطی ماکسول القا میکنند و نمودی از پراکندگی غیرخطی فوتون-فوتون میباشد. ا?شکارسازی اثرات غیرخطیِ خلأ الکترودینامیک کوانتومی اهمیت بسزایی در درک ما از ویژگیهای خلأ فیزیکی دارد و از اینرو ا?زمونهای ممکن برای ا?شکارسازی این اثرات بهعنوان بخشی از اهداف این رساله مورد توجه بسیاری از فیزیکدانان نظری و تجربی میباشد. این رساله را با مرورِ توصیفی از قطبش در قالب پارامترهای استوکس و معادلهی کوانتومی بولتزمن که حاکم بر تحولات زمانی این پارامترها میباشد، آغاز میکنیم. براساس این فرمولبندی به بررسی اثرات قطبشی در نتیجهی برهمکنش فوتون-فوتون در آزمایشهای لیزری و زمانی که یک باریکهی لیزری از میان یک میدان مغناطیسی ثابت منتشر شده و یا با یک باریکهی لیزری دیگر برخورد میکند، میپردازیم. با حلِ معادلهی کوانتومی بولتزمن در چارچوب لاگرانژی اویلر-هایزنبرگ برای هر دو موردِ میدانهای زمینهی ایستا و وابسته به زمان، به بررسی تحول زمانی پارامترهای استوکس Q ،U، V و دیگر مشاهدهپذیرهای آزمایشگاهی خواهیم پرداخت. نتایج بدست آمده در توافق با مطالعات قبلی در حضور میدان زمینهی ثابت، اثراتِ جدیدی را در حضور میدانهای زمینهی وابسته به زمان پیشبینی میکنند. این اثرات در محدودهای هستند که امروزه توسط آزمایشهایی با دقت زیاد قابل دستیابی میباشند. از دیگر اهداف ما در این رساله بررسی محیطهای اخترفیزیکی میباشد که در آنها احتمال مؤثر بودن فرآیندهای QED وجود دارد. برای اهداف اخترفیزیکی به بررسی اثر برهمکنشهای غیرخطی QED بر روی تحولات قطبشی فوتونهایی که از میان خلأ مغناطیدهی تپاختر منتشر میشوند، پرداختهایم. ما دریافتهایم که فوتونهای قطبیدهی خطی پرتوی ایکس در عبور از مغناطیسکرهی یک ستارهی نوترونی چرخان، درجهی بالایی از قطبش دایروی را بدست خواهند آورد. ضمناً نشان دادهایم که شاخصههای قطبشی فوتونها در کنار انرژی فوتون، وابستگی شدیدی به پارامترهای ساختاری یک تپاختر نظیر شدت میدان مغناطیسی، زاویهی میل و دورهی تناوب آن دارند. نتایج ما پیشبینیهای آشکاری از اثرات قطبش خلأ QED در محیط مغناطیسی نزدیک یک ستاره است که در آیندهی نزدیک و توسط مشاهدات قطبشسنجی پرتوی ایکس، امکان آزمودن آنها وجود دارد. در کنار این مباحث به بررسی انفجارهای پرتوی گاما (GRB) به عنوان درخشانترین انفجارهای الکترومغناطیسی عالم خواهیم پرداخت. فرآیند تولید زوج QED از یک سیاهچالهی باردار و به دنبال آن انبساط و نابودی پلاسمای حاصل، از منابع تأمین انرژی یک GRB میباشد. از این رو با آنالیز طیفی دادههای GRB میتوان به شواهدی از فرآیندهای میدانِ قوی QED رسید. در اینجا به منظور استخراج اطلاعات فیزیکی از طیفها و منحنیهای نوری بهعنوان دو مشاهدهپذیر اساسی، بر روی دادههای رصدی بدست آمده از ماهوارههای مختلف متمرکز میشویم. با دنبال کردن فرآیندهای دادهکاهی استاندارد و روشهای برازش مدلهای طیفی، مؤلفههای دمایی را در شعلههای پرتوی ایکس ?? چشمه از فرآنواخترهایی با منشأ دوتایی (BdHN) بدست آوردهایم. مؤلفههای دمایی نشانهی آشکاری از حضور پلاسمای الکترون-پوزیترون در تعادل گرمایی میباشد. علاوهبراین با معرفی زاویهی گسیل تابش به بررسی رفتار عمومی تابش پرتوی ایکس تأخیری ??? چشمهی BdHN پرداختهایم.