Límite de Schwinger

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 fue derivado por primera vez en uno de los primeros éxitos teóricos de la QED por Fritz Sauter en 1931 ^{[ 1 ]} y discutido más a fondo por Werner Heisenberg y su alumno Hans Heinrich Euler . ^{[ 2 ]} Sin embargo, el límite se denomina comúnmente en la literatura ^{[ 3 ]} en honor a Julian Schwinger , quien derivó las correcciones no lineales principales a los campos y calculó la tasa de producción de pares electrón-positrón en un campo eléctrico fuerte. ^{[ 4 ]} El límite se suele reportar como un campo eléctrico o magnético máximo antes de la no linealidad para el vacío de

${\displaystyle E_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{3}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 1.32\times 10^{18}\,\mathrm {V} /\mathrm {m} }$

${\displaystyle B_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{2}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 4.41\times 10^{9}\,\mathrm {T} ,}$

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 . Estas son intensidades de campo enormes. Un campo eléctrico de este tipo es capaz de acelerar un protón desde el reposo hasta la energía máxima alcanzada por los protones en el Gran Colisionador de Hadrones en tan solo aproximadamente 5 micrómetros. El campo magnético está asociado con la birrefringencia del vacío y se supera 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 mismas. Por ejemplo, dos haces de luz que se cruzan deberían simplemente sumar sus campos eléctricos y atravesarse mutuamente. Por lo tanto, las ecuaciones de Maxwell predicen la imposibilidad de cualquier dispersión fotón-fotón que no sea elástica trivial . Sin embargo, en QED, la dispersión fotón-fotón no elástica se vuelve posible cuando la energía combinada es lo suficientemente grande como para crear pares virtuales electrón-positrón espontáneamente, como se ilustra en el diagrama de Feynman de la figura adyacente. Esto crea efectos no lineales que se describen aproximadamente mediante la variante no lineal de Euler y Heisenberg de las ecuaciones de Maxwell .

Una sola onda plana es insuficiente para causar efectos no lineales, incluso en QED. ^{[ 4 ]} La razón fundamental es que una sola onda plana de una energía dada siempre puede verse en un sistema de referencia diferente , donde tiene menos energía (lo mismo ocurre con un solo fotón). Una sola onda o fotón no tiene un sistema de referencia del centro de momento donde su energía deba ser mínima. Sin embargo, dos ondas o dos fotones que no viajan en la misma dirección siempre tienen una energía combinada mínima en su sistema de referencia del centro de momento, y es esta energía y las intensidades del campo eléctrico asociadas a ella las que determinan la creación de partículas y antipartículas, y los fenómenos de dispersión asociados.

La dispersión fotón-fotón y otros efectos de la óptica no lineal en el vacío constituyen un área activa de investigación experimental, con tecnologías actuales o planificadas que comienzan a aproximarse 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 los efectos directos en la dispersión elástica. Hasta 2012, la mejor restricción sobre la sección transversal de dispersión fotón-fotón elástica pertenecía a PVLAS , que reportó un límite superior muy por encima del nivel predicho por el Modelo Estándar . ^{[ 8 ]}

Se hicieron propuestas para medir la dispersión elástica luz por 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 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 nueva física, como los axiones , cuya búsqueda es el objetivo principal de PVLAS y varios experimentos similares. ATLAS observó más eventos de los esperados, lo que podría ser evidencia de que la sección transversal es mayor que la predicha por el Modelo Estándar, pero el exceso aún no es estadísticamente significativo . ^{[ 11 ]}

La instalación ELI (Ultra High Field Facility) , planificada y financiada , que estudiará la luz en la frontera de intensidad, probablemente se mantendrá muy por debajo del límite de Schwinger ^{[ 12 ],} aunque aún podría ser 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 ]} Un experimento de este tipo, en el que la luz ultraintensa provoca la producción de pares, ha sido descrito en los medios de comunicación populares como la creación de una " hernia " en el espacio-tiempo. ^{[ 15 ]}

• Efecto Schwinger
• Efecto Sokolov-Ternov
• Polarización del vacío